IT供電變頻系統(tǒng)單相接地過(guò)電壓分析與止損對(duì)策

伍勇

（湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，一般采用集中整流公共直流母線(xiàn)供電形式。整流變壓器二次側(cè)采用中性點(diǎn)不接地形式，即所謂的IT供電系統(tǒng)。該類(lèi)型的供電形式，在負(fù)載端發(fā)生接地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，該過(guò)電壓疊加到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的主回路，將擊穿某個(gè)耐壓薄弱環(huán)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致嚴(yán)重故障發(fā)生。此類(lèi)故障在各現(xiàn)場(chǎng)有一定的發(fā)生頻次，基于該類(lèi)故障具有一定的典型性和代表性，本文將引用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例，具體闡述過(guò)電壓產(chǎn)生的原因和過(guò)程，并提出相應(yīng)防止危害的對(duì)策，為現(xiàn)場(chǎng)電氣技術(shù)人員提供借鑒。

1 案例故障現(xiàn)象描述

某鋼廠(chǎng)連續(xù)軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)的電氣傳動(dòng)供電為IT系統(tǒng)，采用變頻傳動(dòng)交流電源。整流部分采用可控硅集中整流，通過(guò)公共直流母線(xiàn)帶多組逆變器輸出到電機(jī)負(fù)載。其原理示意圖如圖1所示。

圖1 集中整流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

在某次啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，合閘整流單元情況正常，一旦當(dāng)逆變器啟動(dòng)輸出，就有某些組逆變器分別報(bào)警“電流不平衡”跳閘，傳動(dòng)柜的整流單元交流進(jìn)線(xiàn)斷路器MCB也跳閘，整流單元報(bào)警“交流進(jìn)線(xiàn)電壓低”，檢查確認(rèn)整流單元內(nèi)過(guò)電壓吸收裝置的U相和接地端的壓敏電阻R1、R4擊穿，其與主回路連接的U相熔斷器F01燒斷、主整流橋正組的F11、F13兩組快熔及V11可控硅明顯擊穿損壞。在沒(méi)找到其他具體原因的情況下，更換損壞元件，再試車(chē)仍然發(fā)生多次燒損整流單元內(nèi)過(guò)電壓吸收裝置的壓敏電阻及熔斷器并跳閘。最終查明此次故障的根本原因是直流母線(xiàn)所帶的某一組逆變器輸出電纜接地短路導(dǎo)致了過(guò)電壓。擊穿損壞了整個(gè)供電主回路的耐壓薄弱環(huán)節(jié)。變頻系統(tǒng)逆變器輸出側(cè)接地為什么會(huì)引起交流進(jìn)線(xiàn)側(cè)過(guò)電壓呢？下面根據(jù)該類(lèi)傳動(dòng)控制系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，分析在逆變器輸出側(cè)正常接地情況下，在不同的電壓狀態(tài)時(shí)整流單元交流進(jìn)線(xiàn)側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓的過(guò)程和原因。

2 正常狀態(tài)下的電壓狀態(tài)分析

IT供電系統(tǒng)的三相進(jìn)線(xiàn)對(duì)地電壓VLINE－PE是通過(guò)變壓器繞組和主供電母線(xiàn)的對(duì)地電容連接的。正常狀態(tài)下，IT系統(tǒng)的相對(duì)地電位情況與中性點(diǎn)直接接地的TN和TT系統(tǒng)的狀況很相似。在進(jìn)線(xiàn)可控整流及不可控整流的整流器中，直流母線(xiàn)＋DC和－DC電壓跟隨進(jìn)線(xiàn)電壓的正峰值和負(fù)峰值，因此直流電壓VDC相對(duì)于地PE是對(duì)稱(chēng)的，直流母線(xiàn)正極＋DC對(duì)地電位為VDC／2，負(fù)極－DC對(duì)地電位為－VDC／2。逆變器每相的輸出通過(guò)IGBT的交替開(kāi)關(guān)，與直流母線(xiàn)＋DC和－DC連接，因此，每相交替承受VDC／2和－VDC／2電位。由于較長(zhǎng)輸出電纜的反射作用及暫態(tài)過(guò)程等因素影響，在電機(jī)端相對(duì)地電壓VMOTOR－PE會(huì)達(dá)到一個(gè)比逆變器輸出的相對(duì)地電壓VINV－PE更高的電壓值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)達(dá)到兩倍 VINV－PE，即 VMOTOR－PE＝2·VINV－PE＝VDC。正常情況下的電壓狀態(tài)如圖2所示。

圖2 正常情況下的電壓狀態(tài)圖

3 單相接地下的電壓狀態(tài)分析

逆變器輸出側(cè)單相接地的情況下，由于IGBT的開(kāi)關(guān)交替將接地點(diǎn)PE連接到直流母線(xiàn)＋DC和－DC，結(jié)果就是直流母線(xiàn)＋DC和－DC交替地接地，不接地的那一極直流母線(xiàn)對(duì)地電位會(huì)高于或低于VDC，不接地的逆變器輸出的另外兩相也通過(guò)IGBT的開(kāi)關(guān)交替地連接到＋－DC直流母線(xiàn)上，因此也交替地承受電位在＋VDC到－VDC之間變化，由于較長(zhǎng)的電纜反射及暫態(tài)過(guò)程、電機(jī)電抗器的安裝等因素影響，在電機(jī)端相對(duì)地的電壓VMOTOR－PE會(huì)達(dá)到一個(gè)比逆變器輸出相對(duì)地電壓VINV－PE更高的電壓值，最嚴(yán)重的情況會(huì)達(dá)到兩倍VINV－PE，即VMOTOR－PE＝2·VINV－PE＝2·VDC。

在這個(gè)過(guò)程中，由于IGBT的開(kāi)關(guān)變換，相對(duì)地交替在＋DC和－DC之間變換電位，不僅是在逆變器和電機(jī)上增加電壓負(fù)荷，也會(huì)沖擊進(jìn)線(xiàn)側(cè)交流電壓。這是因?yàn)樵贗T系統(tǒng)中，接地僅是通過(guò)電容，由于IGBT在＋DC和－DC之間交替變換電位的過(guò)程也會(huì)疊加到進(jìn)線(xiàn)側(cè)交流電壓上，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)線(xiàn)側(cè)相對(duì)地電壓VLINE－PE會(huì)有一個(gè)非常大的提升，即產(chǎn)生進(jìn)線(xiàn)交流側(cè)過(guò)電壓。

對(duì)比正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)接地發(fā)生時(shí)，進(jìn)線(xiàn)側(cè)增加的相對(duì)地電壓會(huì)造成電壓正弦波畸變，逆變部分的直流母線(xiàn)所承受的相對(duì)地電壓負(fù)荷會(huì)達(dá)到兩倍的額定值，電機(jī)繞組承受的相對(duì)地電壓負(fù)荷也是兩倍的額定值。接地情況下的電壓狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 接地情況的電壓狀態(tài)圖

4 過(guò)電壓的危害評(píng)價(jià)分析

當(dāng)接地導(dǎo)致過(guò)電壓產(chǎn)生時(shí)，過(guò)電壓以等于2倍的正常電壓負(fù)荷值施加到變頻傳動(dòng)主回路的各個(gè)器件及電機(jī)繞組上，短時(shí)間（一般指24小時(shí)內(nèi)）在系統(tǒng)有一定耐受的情況下，可能不會(huì)對(duì)系統(tǒng)有嚴(yán)重的影響。但如此高的過(guò)電壓來(lái)回沖擊變頻器、電纜、電機(jī)繞組，輕則影響變頻器本身的功率元件、電機(jī)繞組、電纜的使用壽命，重則擊穿回路耐壓薄弱點(diǎn)，造成更嚴(yán)重的短路事故。以上第1節(jié)的案例現(xiàn)象就具有明顯的代表性。在其他某些IT供電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)，均發(fā)生過(guò)由于逆變器輸出側(cè)單相接地短路而造成整流單元的可控硅擊穿短路燒快熔的事故案例。歸納總結(jié)均是由于變頻傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的單相接地而導(dǎo)致主回路產(chǎn)生過(guò)電壓，進(jìn)而造成一系列嚴(yán)重的故障。

5 過(guò)電壓危害防止措施探討

5.1 基本思路

鑒于IT供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的危害，故采取有效的防止措施尤為必要?？稍O(shè)計(jì)安裝一種合適的在線(xiàn)絕緣監(jiān)控裝置來(lái)監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)對(duì)地的絕緣電阻值，一旦某相發(fā)生接地，裝置動(dòng)作發(fā)出報(bào)警。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要將報(bào)警信號(hào)送給上級(jí)控制系統(tǒng)或傳動(dòng)本身，提醒維護(hù)人員及時(shí)排除接地點(diǎn)，盡快避免接地引起的過(guò)電壓。

5.2 在線(xiàn)絕緣監(jiān)控裝置選型時(shí)應(yīng)考慮的因素

目前國(guó)內(nèi)外在線(xiàn)絕緣監(jiān)控裝置產(chǎn)品較多，基本是采用等幅對(duì)稱(chēng)方波充電測(cè)量法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)回路的對(duì)地絕緣電阻。在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，電網(wǎng)泄漏電容大小對(duì)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。某些絕緣監(jiān)控裝置不具備對(duì)電網(wǎng)泄漏電容自適應(yīng)功能，一般通過(guò)手動(dòng)設(shè)置，其缺點(diǎn)是被測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)電容一旦大于手動(dòng)設(shè)定值，裝置將監(jiān)測(cè)認(rèn)為系統(tǒng)有接地，而無(wú)法正常地監(jiān)測(cè)對(duì)地的絕緣電阻值。而被監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)泄漏電容通常是未知的，因此，選擇具備電網(wǎng)泄漏電容自適應(yīng)功能的絕緣監(jiān)控裝置具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

IT系統(tǒng)供電的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，從電壓等級(jí)分為低壓、中壓、高壓等系列。在設(shè)計(jì)絕緣監(jiān)控裝置時(shí)，必須依據(jù)電壓等級(jí)選擇。對(duì)于電壓低于1000V以下，只需要安裝絕緣監(jiān)控裝置本身就可滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求。對(duì)于高壓1000V以上的電壓等級(jí)的電網(wǎng)回路，必須選擇加裝耦合器與絕緣監(jiān)控裝置一起進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前耦合器的擴(kuò)展電壓耐受，國(guó)內(nèi)對(duì)于變頻傳動(dòng)的電網(wǎng)，最高電壓只有1800V的產(chǎn)品，常規(guī)電網(wǎng)最高做到了7200V，國(guó)外某知名廠(chǎng)家的耦合器在變頻和常規(guī)電網(wǎng)均做到了15000V，可以根據(jù)實(shí)際情況，靈活選擇。

6 結(jié)論

IT供電變頻系統(tǒng)，在各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)均有大規(guī)模的應(yīng)用，而復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致電氣回路的絕緣降低，產(chǎn)生接地現(xiàn)象。本文引用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例現(xiàn)象，詳細(xì)分析了IT供電變頻傳動(dòng)系統(tǒng)在接地情況下的過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程及狀態(tài)，對(duì)過(guò)電壓產(chǎn)生的危害進(jìn)行了一定的闡述，為防止過(guò)電壓的危害，提出了在線(xiàn)絕緣監(jiān)控報(bào)警提醒措施，給出了在線(xiàn)絕緣監(jiān)控裝置的選擇方法，為IT供電變頻系統(tǒng)防止接地過(guò)電壓危害提供了新思路。