关于高压有源无功补偿装置常见故障的诊断与分析

关于高压有源无功补偿装置常见故障的诊断与分析

王箴

中国铁路上海局集团有限公司调度所 上海市 200000

摘要：随着铁路的发展，企业对于供电安全、供电质量、供电技术，有了更高的要求。在功率因数和谐波治理方面，过去的单一补偿方式难以满足日益复杂的负荷环境。因此，有源无功补偿装置所具有的高效、实时、安全的无功补偿特性以及优良的谐波治理具有重要意义。

关键字：高压有源无功补偿装置 IGBT 散热

1 引言

高压有源无功补偿装置作为具有前瞻性的无功补偿设备，具有响应迅速，补偿灵活、结构简易、安全性高等众多优势。

装置补偿具有快速性，其补偿切换速度可以达到0.01s。同时具有灵活性，它既能补偿感性也能补偿容性。而且它补偿无功的同时，也可兼做滤波器使用，避免了谐波的入侵。

2 故障类型

我在张集变配电所参与过高压有源无功补偿装置的安装，出现的典型故障主要有三种，分别是启动故障、直流过压故障、温度故障。

高压有源无功补偿内置有大功率开关器件IGBT，这使得它的稳定性成为课题。其中电网过电压故障出现较为频繁，一般其发生伴随着启动故障。而IGBT超温故障主要发生在5月以后，此时温度开始升高，当室温超过25℃时，出现报警现象。

3 启动故障

通过投退装置发现，启动故障一般发生在跳闸以后的试送过程中。而发生启动故障后，通常是更换IGBT或者驱动板即可恢复。

启动模块主要包括软起动、整流过程、升压斩波过程，目的是为充电模块冲入足够电能以满足有源逆变条件。图1是充电模块的充电过程，时间从0~T₁时刻，IGBT模块工作在相控角 的状态，持续为电池充电至513V。时间从T₁~T₂时刻，IGBT模块工作在相控角改变的升压斩波状态，直至T₂时刻完成充电，为电解电容充电至750V。此时主接触器吸合，电路进行有源逆变，提供无功功率。

图1:启动过程

若0~T₁时刻充电失败，则需要检查电解电容是否有击穿现象。若T₁~T₂时刻充电失败，则需要检查IGBT模块是否工作正常。这也就解释了为何两种故障总是伴随生成。

4 直流过电压故障

直流过电压故障主要故障现象为IGBT炸裂或驱动板烧坏。这是一种更换元器件后,仍难以精准查找的故障。IGBT模块是有源无功补偿装置的核心，它既参与整流工作，又参与有源逆变工作。它的故障多为驱动板不稳定造成，驱动板是主板经过PWM驱动后，经过光电转换，进而控制IGBT高频开关的关键板件。

判断驱动板故障的方式可通过将24V电源接入驱动板。为光纤接口输入光信号，栅极、发射极应有+15V至+20V左右的正向电压或-5V的反向关断电压。通过这样的光电信号转换的方法， 就能够有在更小范围内发现并处理故障。

IGBT与驱动板故障，有些由于温度过高造成，而更多是与一些连接处的可靠性有关。部件松脱、接触不良，就可能导致主板输入信号的不稳定。而这样就会导致补偿电流无限大，进而烧损元器件。为此， 应当在投运前首先检查：

1. 电流传感器连接线是否松脱。

2. 光纤连接是否牢固。

3. 驱动板与转换板的连接线是否可靠，应当做牢固实验和导通实验。

4. IGBT的焊接是否牢固，是否使用松香焊接。

5 散热问题

有源无功补偿装置的温度控制十分重要。IGBT发热量极大，同时对装置内其它器件的稳定性也产生影响。

装置安装有铜管散热器如图2，IGBT产生热量后，通过将热量传递至散热器背部的铜管内，铜管通过管内液体的冷凝转化，将热量带至散热器上部，最后通过装置上部将热量排出。

图2：散热器结构

目前已知的解决方案有：

1. 在新的门板构件上添加焊纱网孔。这样的作法可以使得下部冷风充分进入装置内的风道循环，提高散热效率。

（2）目前经实践可以适当放开IGBT温度报警10℃。英飞凌的FF600R12ME4型IGBT的最高工作温度为150℃。而考虑到周围线材、板材的温度限制，在正确的温度定标状态下，IGBT温度报警最高可以适当放宽至100℃运行。

（3）采用降流运行。例如张集所一段所采用的补偿方式，原补偿量是150A，由于温度过高，将补偿量减少至120A可以有效降低热量的产生。

（4）在补偿电流不变的情况下，使用功率更大的IGBT。可将FF450R12ME4更换为FF600R12ME4，以此类推。

（5）采用频率更低的载波。载波的频率越高，对装置内其它器件的影响也就越大，例如线材的发热，电抗器的声音。目前，PWM控制采用的额定载波频率是6KHz。

（6）更换符合要求的铜管散热器。散热器的散热性能指标主要有铜管的数量、面积、位置，散热器基板温升ΔT，铜管密齿的数值。ΔT是相对与环境温度可以升高的温度数值，其数值越小，散热性能越好。密齿则为散热器背面所含通道密度。目前，装置采用的ΔT为20~23K左右，密齿为1.2。

（7）使用导热系数合适的散热硅脂。根据FF600R12ME4型号的IGBT说明书，每一个IGBT应当使用导热系数 的导热硅脂。我使用过0.5W和0.8W的导热硅脂，为进一步优化产品，目前，现在使用的是1.2W的DOWSIL CN-8880导热硅脂。

（8）使用丝网印刷法代替滚筒涂抹。IGBT散热硅脂的涂抹工艺可以使用滚筒直接涂抹，也可以使用丝网印刷法。散热硅脂过厚或过薄都将对散热产生影响，良好的硅脂厚度应当在100um~125um之间。

6 总结

目前，高压有源无功补偿装置在技术上已较为成熟，但在实用性、经济性、稳定性等方面仍然存在诸多不足。与传统补偿或者SVC,MSVC相比，它的补偿具有天然的优越性。这同时也对装置内部器件的耐用性提出了考验。

参考文献：

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