吴桃

摘 要：直流系统是水电站重要的电源之一，其控制母线、合闸母线承载了全站信号、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分合闸等负荷。高频整流模块是直流系统的主要元件，其安全稳定运行决定了直流系统供电的可靠性。本文分析了某水电站高频整流模块损坏的现象，并探讨了故障原因，提出了降低高频整流模块故障率的可行性措施，以期为降低水电站的运营成本助力。

关键词：直流系统;高频整流模块;故障

中图分类号：TV738文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0071-03

Abstract： DC system is one of the important power sources of hydropower station. Its control generatrix and closing generatrix bear the load of signal， protection， automatic device， emergency lighting， emergency power supply and breaker opening and closing. High frequency rectifier module is the key equipment of DC system， its safe and stable operation is an important guarantee to improve the reliability of DC system power supply. This paper analyzed the damage of high-frequency rectifier module in a hydropower station， discussed the fault causes， and put forward feasible measures to reduce the fault rate of high-frequency rectifier module， in order to help reduce the operation cost of hydropower station.

Keywords： DC system;high frequency rectifier module;fault

某装机720 MW的水电站配有4套220 V直流系统，即公用设备直流、机组直流、GIS直流、接入设备直流，每套直流系统都由充电屏、联络屏、馈电屏、蓄电池组等组成。充电屏采用（N+1）冗余设计，用备份的方式由高频整流模块将交流400 V电压整定为具有额定电压的直流电，向蓄电池组进行均充或浮充电，以及向经常性负荷提供直流电源[1];当控制负荷、动力负荷需要较大的冲击电流（如直流电机启动）时，由整流装置与蓄电池并列运行供电;当400 V交流市电失电时，由蓄电池组提供应急电源;当市电恢复后，整流装置根据监控装置自动下发的开机令运行，并进入正常充电模式。

该水电站使用的某型高频整流模块单元，采用两回380 V交流电源输入，两回交流通过双电源开关自动切换，互为备用。同时，当某一整流模块因故退出运行时，该整流装置仍然满足负载要求;但当有2个及以上整流模块故障时，应切换该套整流装置至备用装置。高频整流模块采用自冷和风冷相结合的散热方式，每个模块具有自动控制功能，可根据设定模式自主控制和调整输入输出电压、输出电流，并发送保护、报警信号。正常运行过程中，整流单元接受监控单元下发的命令，完成对负载的供电。

该水电站自投运至今，高频整流模块频繁发生损坏的情况。特别是在蓄电池组核对性放电试验后，充电屏对蓄电池组进行均充过程中，高频整流模块长时间负载大电流，容易导致模块元器件烧毁。在日常运行过程中，偶而会出现输出过压、输出欠压、输出无电流、过温保护等问题，分析为高频整流模块元器件质量问题。

1 高频整流模块工作原理

高频整流模块的首要作用是将交流电源整定成具有恒定电压的直流电，为蓄电池组充电，并向各种直流设备供电，是整流装置的关键性部件。高频整流模块的工作原理是首先对交流输入进行防雷处理和EMI滤波，然后通过整流桥直接对AC220/380 V进行整流和无源PFC（Power Factor Corrector）转换成高压直流，再通过桥式PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度变调）电路逆变为高频交流，经高频变压器隔离降压后通过高频整流滤波成为直流电，最后经EMI滤波和防反接保护输出[2]。工作原理如图1所示。

2 高频整流模块故障现象及原因

2.1 故障现象

故障现象一：上位机系统收到“开关站直流系统1号充电屏告警”信号，对所在屏柜进行检查，发现开关站直流1号充电屏2号高频模块有焦臭味。取下该模块并将箱壳拆卸后发现模块内部整洁，无杂物，除烧焦处有明显元器件损坏现象外，其余各元器件外观保持良好，无异常。高频整流模块1号电容器烧损最为严重，同时引起周边元器件烧损。通过检查还发现，板件上其他元器件都正常，旁边电流互感线圈及电缆接线仅被熏黑，电缆未破损。高频模块烧焦处如图2所示。

故障现象二：机组直流3号充电屏3号高頻模块运行过程中，监控装置上“模块过压输出”告警，输出电压达到250 V并有持续上升的趋势，模块“保护”指示灯点亮，其余模块正常输出电压235 V。3号充电屏作为备用充电装置，未带负载运行。起初怀疑是监控装置定值设定错误引起的，经查询参数，发现设置正确，浮充电压235 V，均充电压245 V，模块输出电压已超过设定值。

故障现象三：开关站直流2号充电屏4号高频模块运行过程中，输出电压为226 V，模块“保护”指示灯点亮，其余模块正常输出电压235 V。开关站直流2号充电屏与蓄电池组并列运行，该充电屏共有5台高频模块，最大输出电流为150 A，日常负载电流稳定、不超过20 A。故障时未进行操作任务，不存在大负荷拉低电压的情况。

故障现象四：公用直流1号充电屏正常运行时，2号高频模块输出电流为0 A，无故障告警信号，其余模块正常输出负载电流。屏上监控装置与各个高频模块通信，根据负载电流，实现每个模块均流输出。查询输出电流曲线发现，故障前后，总输出电流恒定，故障模块输出电流陡降至0 A，其余模块输出电流上升，均摊了故障模块的输出电流。

故障现象五：机组直流2号充电屏1号高频模块运行过程中，监控装置上“模块故障”信号告警，模块“保护”指示灯点亮，并进入自锁模式，输出电压、电流分别为220 V、0 A，其余模块运行正常。检查发现，模块散热风机停运，外壳温度较高。

2.2 故障原因分析

对多次出现的故障现象进行汇总分析，归纳总结出以下原因。

①参数设置错误[3]。其一，高频整流模块参数设置错误造成的。高频整流模块的通信设置，通过监控板上的8位拨码开关来完成与监控装置通信后，为主从关系，以监控装置为主。模块菜单可以设置工作段数、通信地址、控母电压、均/浮充电压、过压告警点、限流点、模块型号等。因此，模块设置的参数应符合实际运行方式，否则会出现超额、欠额运行的现象。其二，监控系统参数与电流传感器量程不匹配。监控系统作为设备中测控和管理的核心单元，其作用是：根据系统各功能模块的运行方式，预先进行参数设置，并实时监测系统的运行数据和状态，对数据进行分析处理或上传，控制系统安全有效地运行。由于高频模块输出电流是通过安装在母线上的电流传感器或电流分流器测值反馈到微机监控装置的，由微机监控装置控制高频模块输出电流，因此传感器量程标定将直接影响高频模块的输出。

②高频整流模块航空插头接触不良。模块输入、输出的各种信号都要通过其后面的航空插座连接，若接触不良或插针断裂，均会引起模块异常运行。

③交流输入电压波动。直流系统交流电源为机组400 V自用电。自用电中带有较大功率的油泵、水泵等负载，电机启动时，母线电压波动较大，也会引起模块输入电压回路发生故障。

④室内通风不良，高频模块散热效果差。高频模块属于整流型元器件，在运行过程中发热量较大，屏柜密闭情况下，降低了散热效果。此外，高频模块风机故障停运亦影响其散热挥发。此外，模块在风机作用下，积灰较严重，也不利于其散热。

⑤高频模块可靠性差，元器件易损坏。该批次高频模块及模块内电容、电阻等元器件已使用近10年，因此，近期集中出现了问题。为此，将故障模块退回生产商，责其维修。尤其是抗干扰电容器老化，在高频模块故障时带有66%的负载，抗干扰电容内部温度过高、内部压强超高，从而导致短路，把充电屏的开关顶跳，并把保护层击穿，瞬间释放高温，把另一个抗干扰电容的保护层烧焦。

3 高频整流模块故障解决措施

第一，排查站内直流系统监控装置、高频模块、电流传感器、蓄电池组、电流/电压表等设备的参数，保证其符合运行要求。经排查，机组、公用、开关站直流系统监控装置电流变比与电流传感器变比值不一致，修改后，蓄电池组、母线电流与模块总输出电流相等。

第二，排查过程中发现，其中1台高频模块航空插座插针松动，导致模块内电流采样回路存在问题，其输出电流为0 A。为此，可在设备检修时，紧固航空插座或更换插座，确保其连接可靠。

第三，为防止雷击对电压的冲击，可在输入电压进线处增加防雷器等可靠的避雷设施。

第四，降低直流屏柜温度，为模块稳定运行创造良好的环境。尤其是在夏季，受气温影响，加上模块元器件自身发热大，导致直流屏柜温度高，因此解决其散热问题成为主要关注点[4]。若设备室内有空调，则可将空调温度设置在20 ℃以下，同时可在屏柜左右两扇门的上下侧分别增加散热孔，下侧两孔为进气孔，上侧两孔安装风扇，加强气流流通性。

第五，长期处于运行状态的模块，其内部、风扇罩及防尘网上积灰严重。因此，要定期清除灰尘，在提高散热效果的同时，防止模块内部元器件短路[4]。

第六，针对模块质量不可靠、元件易损坏等问题，若生产商不能维修，则由其提供新模块进行更换;若能维修，维修完成后，要进行出廠试验，检验其性能是否满足长期稳定运行的要求[5]。

4 结语

将以上措施付诸实践后，该水电站高频整流模块故障率显著降低，设备运行情况稳定。尤其是增加屏柜散热孔、安装排风扇后，改善了设备的运行环境，明显降低了高频整流模块的运行温度。此外，对高频整流模块定期检查和清灰亦及时排除了故障可能性。

参考文献：

[1]王玉玲.变电所直流操作电源设备的选择与维护分析[J].煤炭技术，2009（3）：35-36.

[2]毕恩兴.智能高频开关电源系统中整流模块的功能设计[J].现代电子技术，2011（16）：189-191.

[3]谢文卫.智能高频开关电源系统的故障分析与处理[J].有线电视技术，2012（5）：125-127.

[4]史炜.高频整流模块故障分析与解决方法[J].云南电业，2011（1）：37-38.

[5]李岐.直流系统浮充电源损坏的原因分析及解决办法[J].中国新技术新产品，2015（16）：43.