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(dòng)系統(tǒng)采用變頻器進(jìn)行調(diào)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(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(dòng)電機(jī)為普通三相異步電機(jī)(型號(hào)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(shí)，因小窯實(shí)施檢修任務(wù)，所以大窯超低速運(yùn)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(jī)啟動(dòng)時(shí)，操作室內(nèi)部分低壓用裝置(如應(yīng)急照明燈充電器、對(duì)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(dòng)，異?，F(xiàn)象隨之消失。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)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(cè)得供電系統(tǒng)各相電壓正常(相電壓均為220 V)，檢查操作臺(tái)和控制柜，其箱體內(nèi)有明顯的焦糊味，并發(fā)現(xiàn)多個(gè)指示燈被燒壞，UPS 跳閘，PLC和皮帶計(jì)量秤等的電源模塊被燒壞。由于異常現(xiàn)象是在大窯拖動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)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(wú)損壞等跡象);檢查供電系統(tǒng)變壓器中性線(xiàn)主母排(零線(xiàn))，未出現(xiàn)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(dǎo)致中性線(xiàn)上0 電位漂移現(xiàn)象)。針對(duì)上述檢查和分析，采取各種監(jiān)測(cè)措施，重新啟動(dòng)大窯變頻器，上述異?，F(xiàn)象又立即出現(xiàn)，測(cè)得供電系統(tǒng)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(cè)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(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(dòng)過(guò)程中，觀察到窯體無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)跡象，故檢查電機(jī)接線(xiàn)，打開(kāi)接線(xiàn)盒發(fā)現(xiàn)繞組變黑，機(jī)殼內(nèi)有濃烈的異味，測(cè)得電機(jī)三相繞組對(duì)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(dòng)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(jiàn)，也很難用電工學(xué)一般知識(shí)解釋。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了全面檢查、測(cè)量，測(cè)得電機(jī)接地保護(hù)線(xiàn)與供電系統(tǒng)零線(xiàn)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(xiàn)接在變頻器柜體上，而變頻器柜體又與供電系統(tǒng)零線(xiàn)相接(作為保護(hù)接零措施)，這種接地線(xiàn)和零線(xiàn)共接構(gòu)成了電氣設(shè)備的重復(fù)接地(又稱(chēng)為環(huán)路式重復(fù)接地)。其作用是當(dāng)接地線(xiàn)斷開(kāi)或接地體電阻較大時(shí)減輕觸電危險(xiǎn);同時(shí)當(dāng)設(shè)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(hù)裝置的動(dòng)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(dòng)時(shí)，其輸出的三相低頻交流電壓就會(huì)通過(guò)電機(jī)動(dòng)力線(xiàn)、電機(jī)鐵心、接地線(xiàn)、供電系統(tǒng)中性線(xiàn)(零線(xiàn))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(guò)接地線(xiàn)、零線(xiàn)等動(dòng)力線(xiàn)路構(gòu)成電流通路)，所以就會(huì)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(xiàn)和接地線(xiàn)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(huì)出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)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(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(gè)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(dòng)過(guò)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(dòng)電機(jī)單相繞組對(duì)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(dòng)力線(xiàn)、鐵心)、接地線(xiàn)和電網(wǎng)零線(xiàn)等導(dǎo)體構(gòu)成電流通路。當(dāng)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(tǒng)50 Hz 交流電壓相互疊加問(wèn)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(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(hù)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(cè)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(chǎng)4#回轉(zhuǎn)窯拖動(dòng)電機(jī)為普通三相異步電動(dòng)機(jī)，由于變頻器較長(zhǎng)時(shí)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(guò)熱，使電機(jī)定子繞組絕緣被燒壞。更換電機(jī)后，多次啟動(dòng)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(duì)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(xiàn))的保護(hù)接零線(xiàn)，使供電變壓器中性線(xiàn)N(零線(xiàn))和窯機(jī)體接地線(xiàn)相互獨(dú)立(實(shí)際通過(guò)大地仍然相通，但其電阻超過(guò)數(shù)k贅以上)，這樣設(shè)備的接地線(xiàn)和供電系統(tǒng)零線(xiàn)之間不可能構(gòu)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(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)，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(guò)變頻器單相人為接地試驗(yàn)，測(cè)得供電系統(tǒng)三相電源對(duì)地電壓無(wú)變化，變頻器制動(dòng)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(wèn)題，但卻降低了回轉(zhuǎn)窯機(jī)體的安全保護(hù)級(jí)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(shí)可能沒(méi)有問(wèn)題，但當(dāng)50 Hz 線(xiàn)路對(duì)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(huì)發(fā)生觸電現(xiàn)象，但與其相連的設(shè)備的其它部位卻會(huì)發(fā)生觸電現(xiàn)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(cè)安裝電流動(dòng)作型漏電保護(hù)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(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(jiǎn)單、可靠、安全性高，又具有短路、過(guò)載等保護(hù)功能。

漏電保護(hù)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(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(kāi)關(guān)組成。當(dāng)被保護(hù)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(hào)放大，當(dāng)達(dá)到整定值時(shí)(不超過(guò)30 mA，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土壤性質(zhì)，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整[2])，漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)在0.1 s內(nèi)動(dòng)作，切斷電源，起到漏電保護(hù)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)會(huì)對(duì)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(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(yù)防措施，才能確保所有設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。