摘要：隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器、中頻路、ups電源等有逆變功能的電源廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)領域，其工作異常會對其它設備有不同程度的影響。因此，在實際設備安裝、維修和使用中，要更加注重不同設備之間的影響問題，本文主要介紹了基于變頻裝置輸出接地引起的電網(wǎng)電壓異常分析與處理的，供讀者們參考。

　 1、故障現(xiàn)象
　　
　　中鋁青海分公司3期煅燒4#回轉(zhuǎn)窯新建于2005年5月，其石油焦煅燒能力為12t/h；大窯拖動系統(tǒng)采用變頻器（西門子公司生產(chǎn)）調(diào)速控制，其正常生產(chǎn)時投料量一般控制在10~11.6t/h范圍內(nèi)，變頻器（110va）工作頻率設定在38~46hz范圍內(nèi)，大窯驅(qū)動電機為普通三相異步電機（型號為y315s-6、75kw），負載電流在68~92a之間；停料降溫期間，大窯運行在超低速狀態(tài)（窯體轉(zhuǎn)速工作在2.5~2.9r/min范圍內(nèi)），變頻器工作頻率為5hz左右。2006年6月18日早8點停料降溫，因小窯實施檢修任務，大窯超低速運行1個多小時后停窯保溫。下午3點大窯拖動電機啟動過程中，操作室內(nèi)部分低壓用裝置（如應急照明燈充電器、對講機充電器和顯示器等用電器）內(nèi)突然出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，操作人員立即終止大窯變頻裝置啟動操作后，其異?，F(xiàn)象又立即消失。根據(jù)現(xiàn)場操作人員對異?，F(xiàn)象描述，初步分析其原因可能是供電系統(tǒng)電壓突然升高所致。但供電系統(tǒng)各相電壓測得正常（相電壓均為220v），檢查操作臺和控制柜，其箱體內(nèi)有明顯的焦糊味，并發(fā)現(xiàn)多個指示燈燒壞、ups跳閘、PLC和皮帶計量秤等電源模塊被燒。由于異?，F(xiàn)象是在回轉(zhuǎn)窯大窯拖動變頻裝置啟動期間出現(xiàn)，檢查大窯控制變頻器未發(fā)現(xiàn)異常（面板顯示正常、電子器件無損壞等跡象）；檢查供電系統(tǒng)變壓器中性線（零線），未出現(xiàn)接觸不良等異常問題（有時供電變壓器總零線連接點接觸不良或過熱，均會引起中性線上零電位漂移現(xiàn)象）。隨后又重新啟動大窯變頻器時，上述異常現(xiàn)象又立即出現(xiàn)，因操作前采取了各種監(jiān)測措施，測得變頻器啟動后，供電系統(tǒng)單相電壓升至286v左右；變頻器制動（釋放電能）電阻自動投入工作（能聽到制動電阻工作聲音），測得制動電阻溫度為72℃（環(huán)溫19℃）；大窯變頻器啟動停止后，電網(wǎng)電壓又恢復正常（220v）。因變頻啟動過程中（啟動過程持續(xù)了4~6s），窯體無任何轉(zhuǎn)動跡象，故檢查電機，打開接線盒發(fā)現(xiàn)繞組變黑，機殼內(nèi)有濃烈的異味，測得電機三相繞組對地絕緣電阻分別為0、12mω和16mω。
　　
　　2、故障分析
　　
　　在實際工作中，因變頻器驅(qū)動電機絕緣損壞引起的供電系統(tǒng)電壓升高現(xiàn)象極為少見，也很難用電工學一般知識解釋。針對這次供電電網(wǎng)電壓升高異常現(xiàn)象，我們進行了全面現(xiàn)場檢查、測量，測得電機接地保護線與供電電網(wǎng)中性線（零線）相通（電阻為0ω），進一步排查發(fā)現(xiàn)大窯電機接地保護線接在變頻器柜體上，其柜體又與供電系統(tǒng)零線相接（作為保護接零措施）。這種接地線和零線共接構(gòu)成了電氣設備的重復接地（又稱為環(huán)路式重復接地）。其作用是當接地線斷開或接地體電阻較大時減輕觸電危險；同時當設備帶電部分碰殼時，短路電流通過零線形成回路，能加速線路保護裝置的動作。經(jīng)分析其異?，F(xiàn)象發(fā)生的機理如下：當變頻裝置控制的電機一相繞組絕緣損壞（擊穿）后，若變頻器啟動時，其輸出的三相交流（低頻）電壓就會通過電機控制動力線、電機鐵心、接地線、供電系統(tǒng)中性線（零線）疊加到供電變壓器低壓側(cè)工頻（50hz）三相電源上。由于變頻器、供電變壓器通過接地線、零線等動力線路構(gòu)成較大電流通路，變頻器輸出的三相交流電壓頻率、初相位均不同于電網(wǎng)工頻電壓。則引起不同頻率電源電壓疊加現(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，啟動時負載電流越大，則疊加后的電壓越高，其危害程度也越嚴重。變頻器、電網(wǎng)、零線和接地線構(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出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象，其兩個電源的電壓波形均會發(fā)生較大的變化［1］（電壓波形峰值、有效值均相應地改變）。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。其變頻器等同于一個獨立的電源，其輸出的電壓波形初相位、頻率與工頻供電電網(wǎng)不同；變頻器在啟動過程中，其逆變器輸出的電壓頻率是從0hz緩慢地增加的過程。因此當4#回轉(zhuǎn)窯拖動電機單相繞組對地絕緣被擊穿后，造成供電變壓器繞組，變頻器電機（包括動力線、鐵芯）、接地線和電網(wǎng)零線等導體構(gòu)成電流通路。當變頻器啟動時，就會引起變頻器輸出的0~50hz低頻交流電壓與供電系統(tǒng)50hz交流電壓相互疊加問題，導致供電電網(wǎng)三相電源電壓升高至286v，造成單相（220vac）用電器工作電壓過高，而發(fā)生過熱（冒煙）或燒毀故障；同時由于變頻器的輸入的交流電壓升高，其整流后的直流電壓必然也會升高，故變頻器直流過壓保護電路自動啟動工作（即投入制動電阻消耗電能）。5hz交流電壓波形（變頻器輸出的低頻）與50hz交流電壓波形（電網(wǎng)工頻）疊加，其原理如圖2所示。　　
　　（a）變頻器輸出的b’相相電壓波形（220v5hz）（b）供電電源a相相電壓波形（220v50hz）（c）a、b疊加后的供電電網(wǎng)a相電壓波形
　　
　　圖2變頻器輸出的b’相電壓與供電電網(wǎng)a相電壓波形疊加原理
　　
　　圖2a）為變頻器輸出的b’相交流電壓波形，其波形峰值為e1（測得有效值約為220v）、頻率為5hz（也可選其它不同頻率的波形進行疊加，其結(jié)果相同）；圖2b）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50hz；圖2c）為變頻器輸出的b’相（5hz）波形疊加在供電電網(wǎng)a相上的波形。疊加后的波形峰值由疊加前的e1增大至e1+e2，其相應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，只是其疊加后的波形峰值的初相位有所不同，但有效值均相等［1］。
　　
　　3、故障處理
　　
　　我廠4#回轉(zhuǎn)窯拖動電機為普通三相異步電動機，由于變頻器較長時間運行在5hz的超低頻狀態(tài)，其電機冷卻風扇低速運行，電機冷卻風量大幅度地減少，導致電機嚴重過熱，使電機定子繞組絕緣被燒壞。更換電機后，多次啟動大窯控制變頻器，均再未出現(xiàn)電網(wǎng)電壓升高現(xiàn)象。
　　
　　為防止類似故障導致供電系統(tǒng)電壓異常再次發(fā)生，我們采取了斷開4#回轉(zhuǎn)窯機體（包括電機接地線）的保護接零線，如圖3所示。使供電系統(tǒng)變壓器中性線n（零線）和窯機體接地線相互獨立（實際通過大地仍然相通，但其電阻較大），而且將二者接地分別獨立設置接地裝置，這樣設備的接地線和供電系統(tǒng)零線之間不會構(gòu)成較大電流通路。則可避免因變頻裝置輸出接地后引起電網(wǎng)系統(tǒng)電壓升高的現(xiàn)象發(fā)生。在實際中，當變頻裝置一相接地后，其接地電流經(jīng)過接地線、大地、供電系統(tǒng)中性線構(gòu)成回路，其疊加后的電壓降（增加的部分）則會由大地全部或部分地承擔，而供電系統(tǒng)、變頻裝置等電能設備的電壓不會出現(xiàn)顯著升高現(xiàn)象。為證明本次處理結(jié)果的可靠性，我們進行了故障模擬試驗，通過變頻器一相人為接地，啟動變頻裝置，測得供電系統(tǒng)三相電源在變頻器啟動過程中對地電壓無變化，變頻器制動電阻也未出現(xiàn)自動投入工作現(xiàn)象。　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器、中頻路、ups電源等有逆變功能的電源廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)領域，其工作異常會對其它設備有不同程度的影響。因此，在實際設備安裝、維修和使用中，要更加注重不同設備之間的影響問題，只有全面了解相互之間的作用，采取必要的預防措施，才能確保所有設備的安全、可靠地運行。