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基于变频装置输出接地引起的电网电压异常分析与处理

2012-07-25 10:58
天堂的苦涩
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1 故障现象

  中铝青海分公司3期煅烧4#回转窑新建于2005年5月,其石油焦煅烧能力为12t/h;大窑拖动系统采用变频器(西门子公司生产)调速控制,其正常生产时投料量一般控制在10~11.6t/h范围内,变频器(110va)工作频率设定在38~46hz范围内,大窑驱动电机为普通三相异步电机(型号为y315s-6、75kw),负载电流在68~92a之间;停料降温期间,大窑运行在超低速状态(窑体转速工作在2.5~2.9r/min范围内),变频器工作频率为5hz左右。2006年6月18日早8点停料降温,因小窑实施检修任务,大窑超低速运行1个多小时后停窑保温。下午3点大窑拖动电机启动过程中,操作室内部分低压用装置(如应急照明灯充电器、对讲机充电器和显示器等用电器)内突然出现冒烟现象,操作人员立即终止大窑变频装置启动操作后,其异常现象又立即消失。根据现场操作人员对异常现象描述,初步分析其原因可能是供电系统电压突然升高所致。但供电系统各相电压测得正常(相电压均为220v),检查操作台和控制柜,其箱体内有明显的焦糊味,并发现多个指示灯烧坏、ups跳闸、plc和皮带计量秤等电源模块被烧。由于异常现象是在回转窑大窑拖动变频装置启动期间出现,检查大窑控制变频器未发现异常(面板显示正常、电子器件无损坏等迹象);检查供电系统变压器中性线(零线),未出现接触不良等异常问题(有时供电变压器总零线连接点接触不良或过热,均会引起中性线上零电位漂移现象)。随后又重新启动大窑变频器时,上述异常现象又立即出现,因操作前采取了各种监测措施,测得变频器启动后,供电系统单相电压升至286v左右;变频器制动(释放电能)电阻自动投入工作(能听到制动电阻工作声音),测得制动电阻温度为72℃(环温19℃);大窑变频器启动停止后,电网电压又恢复正常(220v)。因变频启动过程中(启动过程持续了4~6s),窑体无任何转动迹象,故检查电机,打开接线盒发现绕组变黑,机壳内有浓烈的异味,测得电机三相绕组对地绝缘电阻分别为0、12mω和16mω。

2 故障分析

  在实际工作中,因变频器驱动电机绝缘损坏引起的供电系统电压升高现象极为少见,也很难用电工学一般知识解释。针对这次供电电网电压升高异常现象,我们进行了全面现场检查、测量,测得电机接地保护线与供电电网中性线(零线)相通(电阻为0ω),进一步排查发现大窑电机接地保护线接在变频器柜体上,其柜体又与供电系统零线相接(作为保护接零措施)。这种接地线和零线共接构成了电气设备的重复接地(又称为环路式重复接地)。其作用是当接地线断开或接地体电阻较大时减轻触电危险;同时当设备带电部分碰壳时,短路电流通过零线形成回路,能加速线路保护装置的动作。经分析其异常现象发生的机理如下:当变频装置控制的电机一相绕组绝缘损坏(击穿)后,若变频器启动时,其输出的三相交流(低频)电压就会通过电机控制动力线、电机铁心、接地线、供电系统中性线(零线)叠加到供电变压器低压侧工频(50hz)三相电源上。由于变频器、供电变压器通过接地线、零线等动力线路构成较大电流通路,变频器输出的三相交流电压频率、初相位均不同于电网工频电压。则引起不同频率电源电压叠加现象,其叠加的程度与变频器容量、工作频率、初相位以及供电变压器容量均有密切关系。变频器容量越大,启动时负载电流越大,则叠加后的电压越高,其危害程度也越严重。变频器、电网、零线和接地线构成的电流回路如图1所示。

  根据电源叠加原理,在构成电流通路的情况下,两种交流电压幅值、频率和初相位均不同的电源会出现相互叠加现象,其两个电源的电压波形均会发生较大的变化[1](电压波形峰值、有效值均相应地改变)。由于变频器是将工频三相交流电压整流、滤波、逆变成不同频率的三相交流电压的装置。其变频器等同于一个独立的电源,其输出的电压波形初相位、频率与工频供电电网不同;变频器在启动过程中,其逆变器输出的电压频率是从0hz缓慢地增加的过程。因此当4#回转窑拖动电机单相绕组对地绝缘被击穿后,造成供电变压器绕组,变频器电机(包括动力线、铁芯)、接地线和电网零线等导体构成电流通路。当变频器启动时,就会引起变频器输出的0~50hz低频交流电压与供电系统50hz交流电压相互叠加问题,导致供电电网三相电源电压升高至286v,造成单相(220vac)用电器工作电压过高,而发生过热(冒烟)或烧毁故障;同时由于变频器的输入的交流电压升高,其整流后的直流电压必然也会升高,故变频器直流过压保护电路自动启动工作(即投入制动电阻消耗电能)。5hz交流电压波形(变频器输出的低频)与50hz交流电压波形(电网工频)叠加,其原理如图2所示。

  (a)变频器输出的b’相相电压波形(220v5hz)(b)供电电源a相相电压波形(220v50hz)(c)a、b叠加后的供电电网a相电压波形

  图2 变频器输出的b’相电压与供电电网a相电压波形叠加原理

  图2a)为变频器输出的b’相交流电压波形,其波形峰值为e1(测得有效值约为220v)、频率为5hz(也可选其它不同频率的波形进行叠加,其结果相同);图2b)为供电系统a相工频交流电压波形,其波形峰值为e2、频率为50hz;图2c)为变频器输出的b’相(5hz)波形叠加在供电电网a相上的波形。叠加后的波形峰值由叠加前的e1增大至e1+e2,其相应的电压有效值也必然升高了;供电系统b、c相电压波形与之相互叠加后的波形结果与a相相同,只是其叠加后的波形峰值的初相位有所不同,但有效值均相等[1]。

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