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(xiàn)象

中鋁青海分公司三期煅燒4# 回轉(zhuǎn)窯新建于2005 年5 月，其石油焦煅燒能力為12 t/h;大窯拖動系統(tǒng)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，在正常生產(chǎn)時投料量一般控制在10~11.6 t/h 范圍內(nèi)，變頻器(110 kV·A)工作頻率設(shè)定在38~46 Hz范圍內(nèi)，大窯驅(qū)動電機(jī)為普通三相異步電機(jī)(型號為Y315S-6、75 kW)，負(fù)載電流在68~92 A之間;停料降溫期間，工藝要求大窯運(yùn)行在超低速狀態(tài)(窯體轉(zhuǎn)速工作在2.5~2.9 r/min 范圍內(nèi))，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，因小窯實(shí)施檢修任務(wù)，所以大窯超低速運(yùn)行1個多小時后才停窯保溫。下午3 點(diǎn)在大窯拖動電機(jī)啟動時，操作室內(nèi)部分低壓用裝置(如應(yīng)急照明燈充電器、對講機(jī)充電器和顯示器等)內(nèi)突然出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，操作人員立即停止大窯啟動，異常現(xiàn)象隨之消失。根據(jù)現(xiàn)場操作人員對異?，F(xiàn)象的描述，初步分析可能是供電系統(tǒng)電壓突然升高所致。但之后測得供電系統(tǒng)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(nèi)有明顯的焦糊味，并發(fā)現(xiàn)多個指示燈被燒壞，UPS 跳閘，PLC和皮帶計量秤等的電源模塊被燒壞。由于異?，F(xiàn)象是在大窯拖動電機(jī)啟動期間出現(xiàn)的，所以檢查大窯控制變頻器未發(fā)現(xiàn)異常(面板顯示正常、電子器件無損壞等跡象);檢查供電系統(tǒng)變壓器中性線主母排(零線)，未出現(xiàn)接觸不良等問題(有時供電變壓器總零線連接點(diǎn)接觸不良或過熱，均會導(dǎo)致中性線上0 電位漂移現(xiàn)象)。針對上述檢查和分析，采取各種監(jiān)測措施，重新啟動大窯變頻器，上述異?，F(xiàn)象又立即出現(xiàn)，測得供電系統(tǒng)單相電壓升至286 V 左右;而變頻器制動(釋放電能)電阻自動投入工作(能聽到制動電阻工作聲音)，測得制動電阻溫度為72益(環(huán)境溫度19益);大窯變頻器啟動持續(xù)4~6 s停止后，電網(wǎng)電壓又恢復(fù)正常(220 V)。因變頻啟動過程中，觀察到窯體無任何轉(zhuǎn)動跡象，故檢查電機(jī)接線，打開接線盒發(fā)現(xiàn)繞組變黑，機(jī)殼內(nèi)有濃烈的異味，測得電機(jī)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(qū)動電機(jī)絕緣損壞引起的供電系統(tǒng)電壓升高現(xiàn)象極為少見，也很難用電工學(xué)一般知識解釋。針對這一問題，對現(xiàn)場進(jìn)行了全面檢查、測量，測得電機(jī)接地保護(hù)線與供電系統(tǒng)零線相通(電阻為0 贅)，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)大窯電機(jī)接地保護(hù)線接在變頻器柜體上，而變頻器柜體又與供電系統(tǒng)零線相接(作為保護(hù)接零措施)，這種接地線和零線共接構(gòu)成了電氣設(shè)備的重復(fù)接地(又稱為環(huán)路式重復(fù)接地)。其作用是當(dāng)接地線斷開或接地體電阻較大時減輕觸電危險;同時當(dāng)設(shè)備帶電部分碰殼時，短路電流通過零線形成回路，能加速線路保護(hù)裝置的動作。經(jīng)分析發(fā)生故障的機(jī)理為：當(dāng)變頻器控制的電機(jī)繞組絕緣被損壞(擊穿)后，若變頻器啟動時，其輸出的三相低頻交流電壓就會通過電機(jī)動力線、電機(jī)鐵心、接地線、供電系統(tǒng)中性線(零線)疊加到供電變壓器低壓側(cè)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、供電變壓器通過接地線、零線等動力線路構(gòu)成電流通路)，所以就會引起不同頻率電源之間疊加現(xiàn)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(yán)重。變頻器、電網(wǎng)、零線和接地線構(gòu)成的電流回路如圖1 所示。

根據(jù)電源疊加原理，在構(gòu)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出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象，兩個電源的電壓波形均會發(fā)生較大的變化[1](電壓波形峰值、有效值均相應(yīng)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，等同于一個獨(dú)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。變頻器在啟動過程中，電壓頻率從0 Hz 緩慢地增加，因此當(dāng)4# 回轉(zhuǎn)窯大窯拖動電機(jī)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(jī)(包括動力線、鐵心)、接地線和電網(wǎng)零線等導(dǎo)體構(gòu)成電流通路。當(dāng)變頻器啟動時，就會引起變頻器輸出的0~20 Hz 低頻交流電壓與供電系統(tǒng)50 Hz 交流電壓相互疊加問題，導(dǎo)致供電系統(tǒng)三相電源電壓升高至286 V，造成單相用電器過壓工作而發(fā)生燒毀故障;同時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升高，故變頻器直流過壓保護(hù)電路自動啟動工作(即投入制動電阻消耗電能)。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(jié)果相同);(b )為供電系統(tǒng)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(yīng)的電壓有效值也必然升高了。供電系統(tǒng)B、C 相電壓波形與之相互疊加后的波形結(jié)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4#回轉(zhuǎn)窯拖動電機(jī)為普通三相異步電動機(jī)，由于變頻器較長時間運(yùn)行在5 Hz 的超低頻狀態(tài)，致使電機(jī)冷卻風(fēng)扇低速運(yùn)行，故電機(jī)冷卻風(fēng)量大幅度地降低，導(dǎo)致電機(jī)嚴(yán)重過熱，使電機(jī)定子繞組絕緣被燒壞。更換電機(jī)后，多次啟動變頻器，電網(wǎng)電壓升高現(xiàn)象未出現(xiàn)。

為防止上述故障再次發(fā)生，必須對系統(tǒng)進(jìn)行改造。最初提出的方案是拆除4# 回轉(zhuǎn)窯機(jī)體(包括電機(jī)接地線)的保護(hù)接零線，使供電變壓器中性線N(零線)和窯機(jī)體接地線相互獨(dú)立(實(shí)際通過大地仍然相通，但其電阻超過數(shù)k贅以上)，這樣設(shè)備的接地線和供電系統(tǒng)零線之間不可能構(gòu)成大電流通路，即在圖1 中，將接地線(PE 線)、接零連接線g g憶之間導(dǎo)線斷開，則可避免上述故障現(xiàn)象發(fā)生。為證明本次隱患處理結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了故障模擬試驗(yàn)，通過變頻器單相人為接地試驗(yàn)，測得供電系統(tǒng)三相電源對地電壓無變化，變頻器制動電阻也未出現(xiàn)投入工作現(xiàn)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(tǒng)電壓升高的問題，但卻降低了回轉(zhuǎn)窯機(jī)體的安全保護(hù)級別，這不符合工業(yè)用電設(shè)備的規(guī)定(要求采取接地和接零重復(fù)接地)。正常工作時可能沒有問題，但當(dāng)50 Hz 線路對地短路或帶電體碰殼時可能會發(fā)生安全事故。

由于上述處理方法存在著安全隱患，設(shè)備帶電體(包括變頻器輸出)碰殼后，故障點(diǎn)可能不會發(fā)生觸電現(xiàn)象，但與其相連的設(shè)備的其它部位卻會發(fā)生觸電現(xiàn)象，這是由于電流流經(jīng)大地時會產(chǎn)生電壓降[2]。為此采取在變頻器輸出側(cè)安裝電流動作型漏電保護(hù)器，來徹底解決變頻器輸出線碰殼(或發(fā)生接地等故障)后引起的電網(wǎng)電壓升高問題;并可按照IEC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施4# 回轉(zhuǎn)窯電氣設(shè)備整體重復(fù)接地安全措施。漏電保護(hù)器安裝原理如圖3 所示。這種處理方法簡單、可靠、安全性高，又具有短路、過載等保護(hù)功能。

漏電保護(hù)器選用CSTM8LE-3P-118A 電流動作型電子式快速漏電斷路器，此斷路器由高導(dǎo)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 開關(guān)組成。當(dāng)被保護(hù)電路有漏電或人身觸電時，通過零序電流互感器的電流矢量和不為零，互感器的二次線圈則產(chǎn)生電壓，并經(jīng)過信號放大，當(dāng)達(dá)到整定值時(不超過30 mA，根據(jù)現(xiàn)場土壤性質(zhì)，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整[2])，漏電保護(hù)開關(guān)在0.1 s內(nèi)動作，切斷電源，起到漏電保護(hù)作用。

4 結(jié)語

隨著科學(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(yīng)用于工業(yè)控制中，當(dāng)其工作異常時會對其它設(shè)備有較大的影響。因此，在實(shí)際設(shè)備安裝、維修和使用中，要更加注重此類電源的危害性，只有全面了解彼此之間的作用，采取可靠的預(yù)防措施，才能確保所有設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。