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摘 要：近几年随着工业的快速发展，空分装置也往大规模方向发展，装置的稳定性直接影响着下游用气工艺装置的可靠性，而内压缩氧泵在空分装置中起着关键的作用，一旦氧泵跳车，整套空分装置也将触发保护跳车，进而对下游工艺装置造成巨大损失，大量的下游产品将报废，动辄损失将达成百上千万。最近国内某一空分装置发生一起内压缩变频氧泵频繁跳车的事故，文章详细描述其故障诊断及故障解决的过程，本文鲜活的例子可为相关专业人员提供一些借鉴及帮助。
关键词：内压缩氧泵；变频器；主接触器；缺相保护
中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0101-02
再可靠的空分装置也难免会有故障发生的时候，一旦发生故障，作为专业工程师通过第一时间记录的信息，诊断、分析故障，找出故障原因，进而解决故障，最快时间恢复空分装置的生产，把损失降到最低，是唯一可选择的最佳办法。
1 故障的出现
2015年1月20日15时56分，液氧内压缩泵A在备用状态下跳车。经查，跳车动作是变频器柜的缺相保护引发的。检查当时和之前的DCS记录，确定这台泵是2015年1月20日14时50分起动的，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。从20日15时26分起出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到20.0 kW后就回到10.5 kW，没有跳车。在15时56分跳车。20日16时10分再次起动，运行在1 045 rpm转速下，20日16时56分出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到25.0 kW，直接跳车。氧泵电机相关功率、电流数据在DCS上均有实时趋势记录。
设备跳车后，检查了变频器柜、电动机和电缆，未见明显异常。跳车原因是变频器缺相保护。因此决定逐一排查此回路中的各个部件。
2 寻找和定位故障源
我们判断问题可能是：
①变频器误报故障。
②变频器——电缆——电动机回路中确实有缺相故障。
2.1 寻找故障源
首先在征得内压缩氧泵厂家的同意后，取消变频器的缺相跳车保护。变频器调试人员用笔记本电脑监控变频器。然后起动这台氧泵。当出现功率波动时，从监控笔记本电脑上读出了三相电流确实不平衡。同时用钳形电流表检测三相电流，也证实了这一点。
以下是本次测试的数据记录：（测试时间：2015年1月25日9时40分）
①起动后电机工作正常，三相电流平衡，转速2 175 rpm，功率80.2 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：180 A Ib：180 A Ic：180 A
Uab：294 V Ubc：294 V Uca：294 V
②25日15时10分电机工作异常，三相电流不平衡，转速2 175 rpm，功率从80.2 kW波动到63 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：12 A Ib：360 A Ic：360 A
Uab：320 V Ubc：270 V Uca：290 V
由此确定回路上确实严重的不平衡，足以触发缺相保护。
2.2 确定故障源的方法
为了确定故障源，现场采取了逐步更换设备的方法。
2.2.1 更换变频器模块
2015年1月26日现场首先尝试更换变频器的逆变器功率模块（即变频器负载侧的功率模块。变频器还有电源侧的功率模块，即整流模块，我们认为与这一缺相故障无关）。然后更换了变频器的控制模块。这两次更换后回路表现没有变化，运行2 h后就出现缺相故障。26日19时起动，内压缩氧泵工作在2 175 rpm转速下，20时30分出现功率波动，功率由80.2 kW波动到63 kW，然后一直以63 kW功率运行到27日9时15分停车。
27日11时起动，内压缩氧泵工作在2 175 rpm转速下，11时40分就出现功率波动，功率由80.2 kW波动到63 kW，出现功率波动后停车。27日16时40分起动，氧泵工作在2 175 rpm转速下，17时10分就出现功率波动，功率由80.2 kW波动到63 kW，出现功率波动后停车。
2.2.2 调换输出电线
2015年1月27日把变频器输出到电抗器输入的三相连接电缆换向。
调整后测试如下：（测试时间：2015年1月27日11时）
①起动后电机工作正常，三相电流平衡，转速2 175 rpm，功率80.2 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：180 A Ib：180 A Ic：180 A
Uab：294 V Ubc：294 V Uca：294 V
②27日11时40分，电机工作异常，三相电流不平衡，转速2 175 rpm，功率波动63～80.2 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：360 A Ib：12 A Ic：360 A
Uab：294 V Ubc：320 V Uca：272 V
变频器输出故障从A相到B相。而变频器输出B相对应的正是先前的A相回路。
以上尝试基本排除变频器的嫌疑，问题应在变频器以下的A相回路上。
2.2.3 电缆检查
从变频器柜（即从主接触器下端口）到内压缩氧泵电动机使用了两根变频专用电缆，其型号是：ZR-BPYJVPP 2-0.6/1 kV
-3x120+3x50；其辅芯（3x50）两端都接地；其屏蔽层在变频器柜内单端接地。
电缆主芯两端分别从变频器柜和电动机上脱开，进行绝缘测试，结果见表1。
电缆直流电阻测试（电机侧用一根细电缆短接电缆两相，在变频器侧测量电阻），结果见表2。 检查未发现电缆有异常。
2.2.4 更换电动机
用B套空分同型号氧泵的电动机替换此台氧泵的电动机更换电机后，初次试运行持续了20 h左右。在测试过程中，氧泵A处于低转速状态，转速：1 045 rpm，功率为10.5 kW。测试过程中出现几次功率波动，最大的功率波动范围约为1.5 kW，电机功率由10.5 kW变换到12 kW，再到9 kW，然后恢复到10.5 kW，此过程在2 s以内。其他几次功率波动只有0.5 kW左右。由于波动现象出现并没有规律，持续时间很短，现场没有能获得在功率波动时的电机三相电流数据。
对比另一台型号相同的后备氧泵，也处于低转速状态，转速：1 045 rpm，功率为10.5 kW，观察该泵的运行趋势，此泵的功率没有任何波动，功率稳定在10.5 kW左右。
2015年2月27日7时20分起动，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。27日16时30分出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到31.0 kW后就跳车。2015年2月27日16时49分起动，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。27日17时出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到29.0 kW后就跳车。
2月28日空分装置因其他原因跳车，3月1日装置再次开车，继续测试内压缩氧泵A。2015年3月1日20时40分起动内压缩氧泵A，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。2日0时50分出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到25.0 kW后跳车。
3月4日再次起动液氧内压缩泵A，起动后马上跳车，变频器控制器面板上显示缺相故障，连续起动三次都报相同故障，分析缺相的原因，只有可能是由主接触器导致。现场屏蔽变频器输出，DCS工程师配合只闭合变频柜内的主接触器，测试主接触器的性能，测试结果如下：
①主接触器Aa间的电阻为5.4 K；主接触器Bb间的电阻为0.3；主接触器Cc间的电阻为0.3。
②主接触器AB间的电阻为5.4 K；主接触器AC间的电阻为5.4 K；主接触器BC间的电阻为0.3。
根据上述实验结果，可以判断变频器柜主接触器A相工作不正常。电动机、接触器、输出电抗器和变频器的关系示意图，如图1所示。
3月6日供应商的调试工程师到现场指导更换变频柜内的主接触器，现场打开更换下来的主接触器，发现里面有明显的烧痕迹象，如图2所示。
2015年3月6日更换完变频柜内的主接触器后，15时30分再次起动液氧内压缩泵A进行测试，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下，功率保持在11.0 kW左右，没有明显波动。内压缩氧泵厂家工程师建议在转速2 175 rpm下进行测试，更有对比性。
2015年3月7日8时30分转速升到2 175 rpm，功率保持在82.0 kW左右，一直运行正常。根据业主要求，3月11日12时内压缩氧泵A切换到备用状态，转速1 045 rpm，一直运行正常，3月13日11时55分内压缩氧泵B切换到内压缩氧泵A，以内压缩氧泵A为主泵，在转速3 131 rpm下运行向客户供气。
3 结 语
通过逐步分析、测试，最终诊断出故障来自变频器柜内主接触器的A相存在故障导致缺相。如同破案人员所采取的抽丝剥茧、层层过滤的方法，也正是专业电气工程师所需要具备的，只有如此，电气工程师在遇到故障情况下不慌张，相信通过最终努力能找出故障原因，恢复生产，并把损失降低到最小。
参考文献：
[1] 李方园.变频器行业应用实践[M].北京：中国电力出版社，2012.
关键词：内压缩氧泵；变频器；主接触器；缺相保护
中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0101-02
再可靠的空分装置也难免会有故障发生的时候，一旦发生故障，作为专业工程师通过第一时间记录的信息，诊断、分析故障，找出故障原因，进而解决故障，最快时间恢复空分装置的生产，把损失降到最低，是唯一可选择的最佳办法。
1 故障的出现
2015年1月20日15时56分，液氧内压缩泵A在备用状态下跳车。经查，跳车动作是变频器柜的缺相保护引发的。检查当时和之前的DCS记录，确定这台泵是2015年1月20日14时50分起动的，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。从20日15时26分起出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到20.0 kW后就回到10.5 kW，没有跳车。在15时56分跳车。20日16时10分再次起动，运行在1 045 rpm转速下，20日16时56分出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到25.0 kW，直接跳车。氧泵电机相关功率、电流数据在DCS上均有实时趋势记录。
设备跳车后，检查了变频器柜、电动机和电缆，未见明显异常。跳车原因是变频器缺相保护。因此决定逐一排查此回路中的各个部件。
2 寻找和定位故障源
我们判断问题可能是：
①变频器误报故障。
②变频器——电缆——电动机回路中确实有缺相故障。
2.1 寻找故障源
首先在征得内压缩氧泵厂家的同意后，取消变频器的缺相跳车保护。变频器调试人员用笔记本电脑监控变频器。然后起动这台氧泵。当出现功率波动时，从监控笔记本电脑上读出了三相电流确实不平衡。同时用钳形电流表检测三相电流，也证实了这一点。
以下是本次测试的数据记录：（测试时间：2015年1月25日9时40分）
①起动后电机工作正常，三相电流平衡，转速2 175 rpm，功率80.2 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：180 A Ib：180 A Ic：180 A
Uab：294 V Ubc：294 V Uca：294 V
②25日15时10分电机工作异常，三相电流不平衡，转速2 175 rpm，功率从80.2 kW波动到63 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：12 A Ib：360 A Ic：360 A
Uab：320 V Ubc：270 V Uca：290 V
由此确定回路上确实严重的不平衡，足以触发缺相保护。
2.2 确定故障源的方法
为了确定故障源，现场采取了逐步更换设备的方法。
2.2.1 更换变频器模块
2015年1月26日现场首先尝试更换变频器的逆变器功率模块（即变频器负载侧的功率模块。变频器还有电源侧的功率模块，即整流模块，我们认为与这一缺相故障无关）。然后更换了变频器的控制模块。这两次更换后回路表现没有变化，运行2 h后就出现缺相故障。26日19时起动，内压缩氧泵工作在2 175 rpm转速下，20时30分出现功率波动，功率由80.2 kW波动到63 kW，然后一直以63 kW功率运行到27日9时15分停车。
27日11时起动，内压缩氧泵工作在2 175 rpm转速下，11时40分就出现功率波动，功率由80.2 kW波动到63 kW，出现功率波动后停车。27日16时40分起动，氧泵工作在2 175 rpm转速下，17时10分就出现功率波动，功率由80.2 kW波动到63 kW，出现功率波动后停车。
2.2.2 调换输出电线
2015年1月27日把变频器输出到电抗器输入的三相连接电缆换向。
调整后测试如下：（测试时间：2015年1月27日11时）
①起动后电机工作正常，三相电流平衡，转速2 175 rpm，功率80.2 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：180 A Ib：180 A Ic：180 A
Uab：294 V Ubc：294 V Uca：294 V
②27日11时40分，电机工作异常，三相电流不平衡，转速2 175 rpm，功率波动63～80.2 kW，测得电流电压数据如下：
Ia：360 A Ib：12 A Ic：360 A
Uab：294 V Ubc：320 V Uca：272 V
变频器输出故障从A相到B相。而变频器输出B相对应的正是先前的A相回路。
以上尝试基本排除变频器的嫌疑，问题应在变频器以下的A相回路上。
2.2.3 电缆检查
从变频器柜（即从主接触器下端口）到内压缩氧泵电动机使用了两根变频专用电缆，其型号是：ZR-BPYJVPP 2-0.6/1 kV
-3x120+3x50；其辅芯（3x50）两端都接地；其屏蔽层在变频器柜内单端接地。
电缆主芯两端分别从变频器柜和电动机上脱开，进行绝缘测试，结果见表1。
电缆直流电阻测试（电机侧用一根细电缆短接电缆两相，在变频器侧测量电阻），结果见表2。 检查未发现电缆有异常。
2.2.4 更换电动机
用B套空分同型号氧泵的电动机替换此台氧泵的电动机更换电机后，初次试运行持续了20 h左右。在测试过程中，氧泵A处于低转速状态，转速：1 045 rpm，功率为10.5 kW。测试过程中出现几次功率波动，最大的功率波动范围约为1.5 kW，电机功率由10.5 kW变换到12 kW，再到9 kW，然后恢复到10.5 kW，此过程在2 s以内。其他几次功率波动只有0.5 kW左右。由于波动现象出现并没有规律，持续时间很短，现场没有能获得在功率波动时的电机三相电流数据。
对比另一台型号相同的后备氧泵，也处于低转速状态，转速：1 045 rpm，功率为10.5 kW，观察该泵的运行趋势，此泵的功率没有任何波动，功率稳定在10.5 kW左右。
2015年2月27日7时20分起动，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。27日16时30分出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到31.0 kW后就跳车。2015年2月27日16时49分起动，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。27日17时出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到29.0 kW后就跳车。
2月28日空分装置因其他原因跳车，3月1日装置再次开车，继续测试内压缩氧泵A。2015年3月1日20时40分起动内压缩氧泵A，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下。2日0时50分出现了功率波动，功率从10.5 kW直接波动到25.0 kW后跳车。
3月4日再次起动液氧内压缩泵A，起动后马上跳车，变频器控制器面板上显示缺相故障，连续起动三次都报相同故障，分析缺相的原因，只有可能是由主接触器导致。现场屏蔽变频器输出，DCS工程师配合只闭合变频柜内的主接触器，测试主接触器的性能，测试结果如下：
①主接触器Aa间的电阻为5.4 K；主接触器Bb间的电阻为0.3；主接触器Cc间的电阻为0.3。
②主接触器AB间的电阻为5.4 K；主接触器AC间的电阻为5.4 K；主接触器BC间的电阻为0.3。
根据上述实验结果，可以判断变频器柜主接触器A相工作不正常。电动机、接触器、输出电抗器和变频器的关系示意图，如图1所示。
3月6日供应商的调试工程师到现场指导更换变频柜内的主接触器，现场打开更换下来的主接触器，发现里面有明显的烧痕迹象，如图2所示。
2015年3月6日更换完变频柜内的主接触器后，15时30分再次起动液氧内压缩泵A进行测试，一直作为备用泵运行在1 045 rpm转速下，功率保持在11.0 kW左右，没有明显波动。内压缩氧泵厂家工程师建议在转速2 175 rpm下进行测试，更有对比性。
2015年3月7日8时30分转速升到2 175 rpm，功率保持在82.0 kW左右，一直运行正常。根据业主要求，3月11日12时内压缩氧泵A切换到备用状态，转速1 045 rpm，一直运行正常，3月13日11时55分内压缩氧泵B切换到内压缩氧泵A，以内压缩氧泵A为主泵，在转速3 131 rpm下运行向客户供气。
3 结 语
通过逐步分析、测试，最终诊断出故障来自变频器柜内主接触器的A相存在故障导致缺相。如同破案人员所采取的抽丝剥茧、层层过滤的方法，也正是专业电气工程师所需要具备的，只有如此，电气工程师在遇到故障情况下不慌张，相信通过最终努力能找出故障原因，恢复生产，并把损失降低到最小。
参考文献：
[1] 李方园.变频器行业应用实践[M].北京：中国电力出版社，2012.