礦用變頻器漏電保護(hù)研究

任　哲

（同煤集團(tuán)云岡礦， 山西　大同　037017）

引言

過(guò)流保護(hù)、漏電保護(hù)以及接地保護(hù)是確保煤礦井下安全供電的三大保護(hù)系統(tǒng)，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，必須給礦井采區(qū)變電所、移動(dòng)變電站以及配電點(diǎn)連接的相關(guān)饋電點(diǎn)裝設(shè)短路、過(guò)載以及漏電等保護(hù)裝置。

由于變頻器具有很多優(yōu)點(diǎn)，如功率因數(shù)高、可平穩(wěn)啟動(dòng)、沖擊電網(wǎng)小、轉(zhuǎn)矩大以及具有較寬的調(diào)度范圍等，因此煤礦綜采設(shè)備以及綜掘設(shè)備中都廣泛應(yīng)用了變頻器。而礦井生產(chǎn)環(huán)境惡劣，井下陰暗潮濕且存在大量的瓦斯爆炸氣體，以致變頻器在使用過(guò)程中，其輸出端至控制電動(dòng)機(jī)間時(shí)常發(fā)生漏電現(xiàn)象，而礦井供電系統(tǒng)一旦發(fā)生漏電，一方面可能引發(fā)人身觸電事故以及瓦斯煤塵爆炸事故等。另一方面若礦井供電系統(tǒng)長(zhǎng)期存在大量漏電電流，易加速電氣設(shè)備絕緣惡化，引發(fā)相間短路現(xiàn)象以及電氣火災(zāi)現(xiàn)象等，因此，為保障礦井供電安全，必須研究礦用變頻器漏電保護(hù)，采取相關(guān)漏電保護(hù)措施，第一時(shí)間切除漏電故障。

1　變頻器工作原理

用電壓型變頻器作礦用變頻器較多，圖1所示為該類(lèi)變頻器的工作原理圖。把頻率固定的三相交流電輸入于變頻器的R、S、T端，經(jīng)全波整流電路可把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再由電容器來(lái)給直流電濾波，當(dāng)直流電壓較高（即波峰）時(shí)，可用電容器來(lái)把部分電場(chǎng)能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)直流電壓較低（即波谷）時(shí)，所裝設(shè)的電容器會(huì)依據(jù)實(shí)際情況，主動(dòng)釋放部分電場(chǎng)能來(lái)對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行補(bǔ)充，以確保直流電壓始終為平穩(wěn)狀態(tài)，該直流電再經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電，最終所得的交流電頻率與電壓可隨意調(diào)節(jié)，再?gòu)腢、V、W端輸出該交流電，用該交流電來(lái)給三相異步電動(dòng)機(jī)提供電源[1]。

當(dāng)前，PWM技術(shù)是很多礦用變頻器電路主要采用的技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們應(yīng)用等腰三角波或鋸齒波來(lái)充當(dāng)PWM波載波的較多，在這兩種波中，應(yīng)用最多的為等腰三角波。圖2所示為PWM變頻電路的調(diào)制輸出波形。當(dāng)載波頻率處于過(guò)低狀態(tài)時(shí)，會(huì)降低電動(dòng)機(jī)實(shí)際有效轉(zhuǎn)矩，易造成電動(dòng)機(jī)實(shí)際損耗增大，且電動(dòng)機(jī)會(huì)升溫；當(dāng)載波頻率持續(xù)于較高狀態(tài)時(shí)，該變頻器輸出的電流波形正弦性會(huì)比較好，一方面會(huì)很平滑，另一方面諧波與干擾都會(huì)變小。但隨著載波頻率的逐步升高，變頻器產(chǎn)生的自身?yè)p耗也逐步增大，同時(shí)還伴隨有較大溫升，降低電動(dòng)機(jī)的絕緣性能。

圖1　變頻器工作原理圖

圖2　PWM控制方式輸出波形圖

2　變頻器漏電流的產(chǎn)生原因

當(dāng)前很多礦用變頻器輸出側(cè)主要應(yīng)用IGBT功率開(kāi)關(guān)部件，該部件具有一典型上升時(shí)間，該時(shí)間為100 ns左右，因此就圖2所示的PWM電壓信號(hào)來(lái)看，其dU/dt約為5 400 V/μs，而就中高壓變頻器而言，該類(lèi)變頻器的dU/dt可達(dá)20 000 V/μs，變頻器產(chǎn)生的這些高頻成分在寄生電容與公共阻抗的作用下會(huì)逐步轉(zhuǎn)換為漏電流[2]。這些漏電流的傳播途徑主要有下列三種：

1）電力電子器件與散熱器間的寄生電容發(fā)生耦合現(xiàn)象。

2）電動(dòng)機(jī)繞組與定子機(jī)殼間分布電容發(fā)生耦合。

3）若變頻器裝設(shè)的輸出電纜較長(zhǎng)，電纜與地間的分布電容發(fā)生耦合。

就電壓源型低壓變頻器而言，在PWM控制下兩電平電壓源型變頻器，輸出端U、V、W輸出的電壓雖然存在120°左右的相位差，但這三者之和也不為0，也就是存在的零序電壓已較高。這樣電動(dòng)機(jī)繞組與機(jī)殼間存在寄生電容，易形成漏電流[3]。此外變頻器連接電動(dòng)機(jī)的電纜上也會(huì)有部分分布電容，該分布電容會(huì)隨連接電纜的增長(zhǎng)而增大，同時(shí)隨分布電容的增大，其產(chǎn)生的漏電電流也會(huì)增大。如圖3所示為變頻器漏電電流在實(shí)際生產(chǎn)中傳出的主要途徑。

圖3　變頻器漏電流傳出途徑示意圖

3　井下漏電保護(hù)功能

為使漏電保護(hù)的具體作用得到充分發(fā)揮，煤礦井下低壓檢漏繼電器應(yīng)具有下述幾點(diǎn)功能：

1）應(yīng)具備漏電跳閘以及漏電閉鎖功能，并借助千歐表對(duì)電網(wǎng)絕緣狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)管[4]。

2）當(dāng)電網(wǎng)與地之間的總絕緣電阻達(dá)到下表1各值時(shí)，檢漏繼電器應(yīng)立即動(dòng)作，第一時(shí)間把設(shè)備供電電源切斷。

3）當(dāng)電網(wǎng)與地之間的總絕緣電阻降至表2各值時(shí)，應(yīng)把設(shè)備電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行閉鎖，嚴(yán)禁合閘送電，謹(jǐn)防事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4）為有效防止發(fā)生人身觸電事故，檢漏繼電器的保護(hù)動(dòng)作應(yīng)盡量快。

電網(wǎng)電壓越高，相應(yīng)的人身觸電電流值也會(huì)越大。為使人身安全得到更好的保障，應(yīng)讓撿漏繼電器的動(dòng)作速度加快，盡力縮短人身觸電時(shí)間。

表1　漏電動(dòng)作電阻整定值

表2　漏電閉鎖電阻整定值

4　礦用變頻器漏電保護(hù)裝置的選擇

變頻器輸出側(cè)漏電流會(huì)隨著輸出電壓的增大而增大，同時(shí)輸出側(cè)對(duì)地絕緣電阻大小、寄生電容大小以及輸出電壓載波頻率大小等都會(huì)影響變頻器輸出側(cè)漏電流大小。在絕緣電阻值不發(fā)生變化的情況下，隨對(duì)地電容數(shù)值的增大，漏電流也會(huì)明顯增多，漏電危險(xiǎn)便會(huì)更大。此外，變頻器產(chǎn)生的高頻諧波分量在寄生電容的影響下，也易產(chǎn)生較大的漏電流，該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人身觸電電流的安全值，存在較大的安全隱患[5]。

由于隨載波頻率的增大，變頻器對(duì)地電容也會(huì)不斷增大，會(huì)產(chǎn)生更大的漏電流，更易發(fā)生人身觸電危險(xiǎn)。因此在煤礦井下利用變頻器進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，必須有相應(yīng)的漏電保護(hù)裝置進(jìn)行必要的保護(hù)作業(yè)。特別是變頻器處于高頻輸出狀態(tài)時(shí)，常會(huì)通過(guò)電纜對(duì)地電容產(chǎn)生漏電流，易使系統(tǒng)裝設(shè)的漏電保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)作，至使變頻器不能正常工作，因此我們必須重視，科學(xué)、合理的選用漏電保護(hù)裝置，所選裝置必須適用于礦用變頻器，應(yīng)具備漏電閉鎖功能與漏電跳閘功能[6]。在沒(méi)有啟動(dòng)礦用變頻器前，應(yīng)先把漏電閉鎖檢查工作做好。若檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)變頻器輸出端對(duì)地絕緣電阻達(dá)到表2數(shù)值甚至比表2數(shù)值低時(shí)，應(yīng)及時(shí)閉鎖變頻器，安排維修人員對(duì)變頻器進(jìn)行必要的維修檢查。在變頻器日常作業(yè)中，其所配備的保護(hù)裝置還應(yīng)具有完備的漏電跳閘保護(hù)功能，在實(shí)際生產(chǎn)中，可借助動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法來(lái)補(bǔ)償該漏電保護(hù)裝置，讓電容電流始終為完全補(bǔ)償狀，使漏電電流變小，更好地保障人身安全。

5　結(jié)語(yǔ)

礦用變頻器漏電現(xiàn)象具有一定的高危性，通過(guò)分析變頻器的工作原理、漏電流的產(chǎn)生原因與影響因素，可知變頻器輸出側(cè)漏電流主要受輸出電壓、輸出側(cè)對(duì)地絕緣電阻、寄生電容以及輸出電壓載波頻率等因素的影響，且隨著它們的增大，變頻器漏電電流值也會(huì)增大。在生產(chǎn)中，必須為礦用變頻器配置漏電保護(hù)裝置，且配置的漏電保護(hù)裝置功能應(yīng)符合礦用變頻器漏電保護(hù)需求。只有這樣才能有效減少礦用變頻器漏電事故，更好地保障礦井安全生產(chǎn)。

[1]陳坤，夏明.變頻器前端漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的研究和應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013（1）：88-91.

[2]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:中國(guó)法制出版社，2016.

[3]胡宏秋.變頻系統(tǒng)漏電分析與研究[J].電氣傳動(dòng)，2013（8）：13-15

[4]姜保軍，孫力，孫亞秀，等.電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI的抑制方法[J].電氣傳動(dòng)，2006（5）：9-12.

[5]張艷偉，李峰.礦用高壓四電平變頻器的研究及應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2015（4）：80-81.

[6]姜艷朱.現(xiàn)代變頻調(diào)速系統(tǒng)負(fù)面效應(yīng)研究及其對(duì)策[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2007.