变频器输出接地引起的电网电压异常的分析与处理

1 故障现象

中铝青海分公司三期煅烧4# 回转窑新建于2005 年5 月，其石油焦煅烧能力为12 t/h;大窑拖动系统采用变频器进行调速控制，在正常生产时投料量一般控制在10~11.6 t/h 范围内，变频器(110 kV·A)工作频率设定在38~46 Hz范围内，大窑驱动电机为普通三相异步电机(型号为Y315S-6、75 kW)，负载电流在68~92 A之间;停料降温期间，工艺要求大窑运行在超低速状态(窑体转速工作在2.5~2.9 r/min 范围内)，变频器工作频率为5 Hz左右。2006 年6 月18 日早晨8 点停料降温时，因小窑实施检修任务，所以大窑超低速运行1个多小时后才停窑保温。下午3 点在大窑拖动电机启动时，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)内突然出现冒烟现象，操作人员立即停止大窑启动，异常现象随之消失。根据现场操作人员对异常现象的描述，初步分析可能是供电系统电压突然升高所致。但之后测得供电系统各相电压正常(相电压均为220 V)，检查操作台和控制柜，其箱体内有明显的焦糊味，并发现多个指示灯被烧坏，UPS 跳闸，PLC和皮带计量秤等的电源模块被烧坏。由于异常现象是在大窑拖动电机启动期间出现的，所以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主母排(零线)，未出现接触不良等问题(有时供电变压器总零线连接点接触不良或过热，均会导致中性线上0 电位漂移现象)。针对上述检查和分析，采取各种监测措施，重新启动大窑变频器，上述异常现象又立即出现，测得供电系统单相电压升至286 V 左右;而变频器制动(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益(环境温度19益);大窑变频器启动持续4~6 s停止后，电网电压又恢复正常(220 V)。因变频启动过程中，观察到窑体无任何转动迹象，故检查电机接线，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、12 M赘和16 M赘。

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。针对这一问题，对现场进行了全面检查、测量，测得电机接地保护线与供电系统零线相通(电阻为0 赘)，进一步排查发现大窑电机接地保护线接在变频器柜体上，而变频器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。经分析发生故障的机理为：当变频器控制的电机绕组绝缘被损坏(击穿)后，若变频器启动时，其输出的三相低频交流电压就会通过电机动力线、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三相电源上。由于变频器输出的三相交流电压频率、初相位均不同于电源工频电压(变频器、供电变压器通过接地线、零线等动力线路构成电流通路)，所以就会引起不同频率电源之间叠加现象，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，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，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、有效值均相应地增大)。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，等同于一个独立的电源，其输出的电压波形初相位、频率与工频电网不同。变频器在启动过程中，电压频率从0 Hz 缓慢地增加，因此当4# 回转窑大窑拖动电机单相绕组对地绝缘被击穿后，就造成供电变压器绕组，变频器电机(包括动力线、铁心)、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0~20 Hz 低频交流电压与供电系统50 Hz 交流电压相互叠加问题，导致供电系统三相电源电压升高至286 V，造成单相用电器过压工作而发生烧毁故障;同时由于变频器输入的交流电压升高，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)。变频器输出的低频5 Hz交流电压波形与电网工频交流电压波形叠加原理如图2 所示。

在图2中，(a )为变频器输出的B忆相交流电压波形，其波形峰值为E1(测得有效值约为220 V)、频率为5 Hz(图中以5 Hz 为例，也可与其它不同频率波形进行叠加，其结果相同);(b )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50 Hz;(c )为两者的叠加波形，叠加后的波形峰值增大至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，只是叠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 故障处理

我厂4#回转窑拖动电机为普通三相异步电动机，由于变频器较长时间运行在5 Hz 的超低频状态，致使电机冷却风扇低速运行，故电机冷却风量大幅度地降低，导致电机严重过热，使电机定子绕组绝缘被烧坏。更换电机后，多次启动变频器，电网电压升高现象未出现。

为防止上述故障再次发生，必须对系统进行改造。最初提出的方案是拆除4# 回转窑机体(包括电机接地线)的保护接零线，使供电变压器中性线N(零线)和窑机体接地线相互独立(实际通过大地仍然相通，但其电阻超过数k赘以上)，这样设备的接地线和供电系统零线之间不可能构成大电流通路，即在图1 中，将接地线(PE 线)、接零连接线g g忆之间导线断开，则可避免上述故障现象发生。为证明本次隐患处理结果的可靠性，进行了故障模拟试验，通过变频器单相人为接地试验，测得供电系统三相电源对地电压无变化，变频器制动电阻也未出现投入工作现象。然而这种处理方法虽然解决了因变频器输出接地后引起供电系统电压升高的问题，但却降低了回转窑机体的安全保护级别，这不符合工业用电设备的规定(要求采取接地和接零重复接地)。正常工作时可能没有问题，但当50 Hz 线路对地短路或带电体碰壳时可能会发生安全事故。

由于上述处理方法存在着安全隐患，设备带电体(包括变频器输出)碰壳后，故障点可能不会发生触电现象，但与其相连的设备的其它部位却会发生触电现象，这是由于电流流经大地时会产生电压降[2]。为此采取在变频器输出侧安装电流动作型漏电保护器，来彻底解决变频器输出线碰壳(或发生接地等故障)后引起的电网电压升高问题;并可按照IEC标准实施4# 回转窑电气设备整体重复接地安全措施。漏电保护器安装原理如图3 所示。这种处理方法简单、可靠、安全性高，又具有短路、过载等保护功能。

漏电保护器选用CSTM8LE-3P-118A 电流动作型电子式快速漏电断路器，此断路器由高导磁性材料制造的零序电流互感器、电压放大器、漏电脱扣器和CSTMS 开关组成。当被保护电路有漏电或人身触电时，通过零序电流互感器的电流矢量和不为零，互感器的二次线圈则产生电压，并经过信号放大，当达到整定值时(不超过30 mA，根据现场土壤性质，可适当地进行调整[2])，漏电保护开关在0.1 s内动作，切断电源，起到漏电保护作用。

4 结语

随着科学技术的进步和发展，变频器、中频炉、UPS 电源等有逆变功能的电源广泛应用于工业控制中，当其工作异常时会对其它设备有较大的影响。因此，在实际设备安装、维修和使用中，要更加注重此类电源的危害性，只有全面了解彼此之间的作用，采取可靠的预防措施，才能确保所有设备安全、可靠运行。