變頻器輸出接地引起的電網(wǎng)電壓異常的分析與處理

1 故障現象

中鋁青海分公司三期煅燒4# 回轉窯新建于2005 年5 月，其石油焦煅燒能力為12 t/h;大窯拖動(dòng)系統采用變頻器進(jìn)行調速控制，在正常生產(chǎn)時(shí)投料量一般控制在10~11.6 t/h 范圍內，變頻器(110 kV·A)工作頻率設定在38~46 Hz范圍內，大窯驅動(dòng)電機為普通三相異步電機(型號為Y315S-6、75 kW)，負載電流在68~92 A之間;停料降溫期間，工藝要求大窯運行在超低速狀態(tài)(窯體轉速工作在2.5~2.9 r/min 范圍內)，變頻器工作頻率為5 Hz左右。2006 年6 月18 日早晨8 點(diǎn)停料降溫時(shí)，因小窯實(shí)施檢修任務(wù)，所以大窯超低速運行1個(gè)多小時(shí)后才停窯保溫。下午3 點(diǎn)在大窯拖動(dòng)電機啟動(dòng)時(shí)，操作室內部分低壓用裝置(如應急照明燈充電器、對講機充電器和顯示器等)內突然出現冒煙現象，操作人員立即停止大窯啟動(dòng)，異?，F象隨之消失。根據現場(chǎng)操作人員對異?，F象的描述，初步分析可能是供電系統電壓突然升高所致。但之后測得供電系統各相電壓正常(相電壓均為220 V)，檢查操作臺和控制柜，其箱體內有明顯的焦糊味，并發(fā)現多個(gè)指示燈被燒壞，UPS 跳閘，PLC和皮帶計量秤等的電源模塊被燒壞。由于異?，F象是在大窯拖動(dòng)電機啟動(dòng)期間出現的，所以檢查大窯控制變頻器未發(fā)現異常(面板顯示正常、電子器件無(wú)損壞等跡象);檢查供電系統變壓器中性線(xiàn)主母排(零線(xiàn))，未出現接觸不良等問(wèn)題(有時(shí)供電變壓器總零線(xiàn)連接點(diǎn)接觸不良或過(guò)熱，均會(huì )導致中性線(xiàn)上0 電位漂移現象)。針對上述檢查和分析，采取各種監測措施，重新啟動(dòng)大窯變頻器，上述異?，F象又立即出現，測得供電系統單相電壓升至286 V 左右;而變頻器制動(dòng)(釋放電能)電阻自動(dòng)投入工作(能聽(tīng)到制動(dòng)電阻工作聲音)，測得制動(dòng)電阻溫度為72益(環(huán)境溫度19益);大窯變頻器啟動(dòng)持續4~6 s停止后，電網(wǎng)電壓又恢復正常(220 V)。因變頻啟動(dòng)過(guò)程中，觀(guān)察到窯體無(wú)任何轉動(dòng)跡象，故檢查電機接線(xiàn)，打開(kāi)接線(xiàn)盒發(fā)現繞組變黑，機殼內有濃烈的異味，測得電機三相繞組對地絕緣電阻分別為0、12 M贅和16 M贅。

2 故障分析

在實(shí)際工作中，因變頻器驅動(dòng)電機絕緣損壞引起的供電系統電壓升高現象極為少見(jiàn)，也很難用電工學(xué)一般知識解釋。針對這一問(wèn)題，對現場(chǎng)進(jìn)行了全面檢查、測量，測得電機接地保護線(xiàn)與供電系統零線(xiàn)相通(電阻為0 贅)，進(jìn)一步排查發(fā)現大窯電機接地保護線(xiàn)接在變頻器柜體上，而變頻器柜體又與供電系統零線(xiàn)相接(作為保護接零措施)，這種接地線(xiàn)和零線(xiàn)共接構成了電氣設備的重復接地(又稱(chēng)為環(huán)路式重復接地)。其作用是當接地線(xiàn)斷開(kāi)或接地體電阻較大時(shí)減輕觸電危險;同時(shí)當設備帶電部分碰殼時(shí)，短路電流通過(guò)零線(xiàn)形成回路，能加速線(xiàn)路保護裝置的動(dòng)作。經(jīng)分析發(fā)生故障的機理為：當變頻器控制的電機繞組絕緣被損壞(擊穿)后，若變頻器啟動(dòng)時(shí)，其輸出的三相低頻交流電壓就會(huì )通過(guò)電機動(dòng)力線(xiàn)、電機鐵心、接地線(xiàn)、供電系統中性線(xiàn)(零線(xiàn))疊加到供電變壓器低壓側工頻三相電源上。由于變頻器輸出的三相交流電壓頻率、初相位均不同于電源工頻電壓(變頻器、供電變壓器通過(guò)接地線(xiàn)、零線(xiàn)等動(dòng)力線(xiàn)路構成電流通路)，所以就會(huì )引起不同頻率電源之間疊加現象，其疊加的程度與變頻器容量、工作頻率、初相位以及供電變壓器容量均有密切關(guān)系。變頻器容量越大，則疊加后的電壓越高，其危害程度也越嚴重。變頻器、電網(wǎng)、零線(xiàn)和接地線(xiàn)構成的電流回路如圖1 所示。

根據電源疊加原理，在構成電流通路的情況下，兩種交流電壓幅值、頻率和初相位均不同的電源會(huì )出現相互疊加現象，兩個(gè)電源的電壓波形均會(huì )發(fā)生較大的變化[1](電壓波形峰值、有效值均相應地增大)。由于變頻器是將工頻三相交流電壓整流、濾波、逆變成不同頻率的三相交流電壓的裝置，等同于一個(gè)獨立的電源，其輸出的電壓波形初相位、頻率與工頻電網(wǎng)不同。變頻器在啟動(dòng)過(guò)程中，電壓頻率從0 Hz 緩慢地增加，因此當4# 回轉窯大窯拖動(dòng)電機單相繞組對地絕緣被擊穿后，就造成供電變壓器繞組，變頻器電機(包括動(dòng)力線(xiàn)、鐵心)、接地線(xiàn)和電網(wǎng)零線(xiàn)等導體構成電流通路。當變頻器啟動(dòng)時(shí)，就會(huì )引起變頻器輸出的0~20 Hz 低頻交流電壓與供電系統50 Hz 交流電壓相互疊加問(wèn)題，導致供電系統三相電源電壓升高至286 V，造成單相用電器過(guò)壓工作而發(fā)生燒毀故障;同時(shí)由于變頻器輸入的交流電壓升高，整流后的直流電壓必然也會(huì )升高，故變頻器直流過(guò)壓保護電路自動(dòng)啟動(dòng)工作(即投入制動(dòng)電阻消耗電能)。變頻器輸出的低頻5 Hz交流電壓波形與電網(wǎng)工頻交流電壓波形疊加原理如圖2 所示。

在圖2中，(a )為變頻器輸出的B憶相交流電壓波形，其波形峰值為E1(測得有效值約為220 V)、頻率為5 Hz(圖中以5 Hz 為例，也可與其它不同頻率波形進(jìn)行疊加，其結果相同);(b )為供電系統A 相工頻交流電壓波形，其波形峰值為E2、頻率為50 Hz;(c )為兩者的疊加波形，疊加后的波形峰值增大至E1+E2，其相應的電壓有效值也必然升高了。供電系統B、C 相電壓波形與之相互疊加后的波形結果與A相相同，只是疊加后的波形峰值的初相位有所不同，但有效值完全相等[1]。

3 故障處理

我廠(chǎng)4#回轉窯拖動(dòng)電機為普通三相異步電動(dòng)機，由于變頻器較長(cháng)時(shí)間運行在5 Hz 的超低頻狀態(tài)，致使電機冷卻風(fēng)扇低速運行，故電機冷卻風(fēng)量大幅度地降低，導致電機嚴重過(guò)熱，使電機定子繞組絕緣被燒壞。更換電機后，多次啟動(dòng)變頻器，電網(wǎng)電壓升高現象未出現。

為防止上述故障再次發(fā)生，必須對系統進(jìn)行改造。最初提出的方案是拆除4# 回轉窯機體(包括電機接地線(xiàn))的保護接零線(xiàn)，使供電變壓器中性線(xiàn)N(零線(xiàn))和窯機體接地線(xiàn)相互獨立(實(shí)際通過(guò)大地仍然相通，但其電阻超過(guò)數k贅以上)，這樣設備的接地線(xiàn)和供電系統零線(xiàn)之間不可能構成大電流通路，即在圖1 中，將接地線(xiàn)(PE 線(xiàn))、接零連接線(xiàn)g g憶之間導線(xiàn)斷開(kāi)，則可避免上述故障現象發(fā)生。為證明本次隱患處理結果的可靠性，進(jìn)行了故障模擬試驗，通過(guò)變頻器單相人為接地試驗，測得供電系統三相電源對地電壓無(wú)變化，變頻器制動(dòng)電阻也未出現投入工作現象。然而這種處理方法雖然解決了因變頻器輸出接地后引起供電系統電壓升高的問(wèn)題，但卻降低了回轉窯機體的安全保護級別，這不符合工業(yè)用電設備的規定(要求采取接地和接零重復接地)。正常工作時(shí)可能沒(méi)有問(wèn)題，但當50 Hz 線(xiàn)路對地短路或帶電體碰殼時(shí)可能會(huì )發(fā)生安全事故。

由于上述處理方法存在著(zhù)安全隱患，設備帶電體(包括變頻器輸出)碰殼后，故障點(diǎn)可能不會(huì )發(fā)生觸電現象，但與其相連的設備的其它部位卻會(huì )發(fā)生觸電現象，這是由于電流流經(jīng)大地時(shí)會(huì )產(chǎn)生電壓降[2]。為此采取在變頻器輸出側安裝電流動(dòng)作型漏電保護器，來(lái)徹底解決變頻器輸出線(xiàn)碰殼(或發(fā)生接地等故障)后引起的電網(wǎng)電壓升高問(wèn)題;并可按照IEC標準實(shí)施4# 回轉窯電氣設備整體重復接地安全措施。漏電保護器安裝原理如圖3 所示。這種處理方法簡(jiǎn)單、可靠、安全性高，又具有短路、過(guò)載等保護功能。

漏電保護器選用CSTM8LE-3P-118A 電流動(dòng)作型電子式快速漏電斷路器，此斷路器由高導磁性材料制造的零序電流互感器、電壓放大器、漏電脫扣器和CSTMS 開(kāi)關(guān)組成。當被保護電路有漏電或人身觸電時(shí)，通過(guò)零序電流互感器的電流矢量和不為零，互感器的二次線(xiàn)圈則產(chǎn)生電壓，并經(jīng)過(guò)信號放大，當達到整定值時(shí)(不超過(guò)30 mA，根據現場(chǎng)土壤性質(zhì)，可適當地進(jìn)行調整[2])，漏電保護開(kāi)關(guān)在0.1 s內動(dòng)作，切斷電源，起到漏電保護作用。

4 結語(yǔ)

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，變頻器、中頻爐、UPS 電源等有逆變功能的電源廣泛應用于工業(yè)控制中，當其工作異常時(shí)會(huì )對其它設備有較大的影響。因此，在實(shí)際設備安裝、維修和使用中，要更加注重此類(lèi)電源的危害性，只有全面了解彼此之間的作用，采取可靠的預防措施，才能確保所有設備安全、可靠運行。