摘要：隨著科學技術的迅速發展，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生產領域，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電壓異常分析與處理的，供讀者們參考。

　 1、故障現象
　　
　　中鋁青海分公司3期煅燒4#回轉窯新建于2005年5月，其石油焦煅燒能力為12t/h；大窯拖動系統采用變頻器（西門子公司生產）調速控制，其正常生產時投料量一般控制在10~11.6t/h范圍內，變頻器（110va）工作頻率設定在38~46hz范圍內，大窯驅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（窯體轉速工作在2.5~2.9r/min范圍內），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）內突然出現冒煙現象，操作人員立即終止大窯變頻裝置啟動操作后，其異常現象又立即消失。根據現場操作人員對異常現象描述，初步分析其原因可能是供電系統電壓突然升高所致。但供電系統各相電壓測得正常（相電壓均為220v），檢查操作臺和控制柜，其箱體內有明顯的焦糊味，并發現多個指示燈燒壞、ups跳閘、PLC和皮帶計量秤等電源模塊被燒。由于異常現象是在回轉窯大窯拖動變頻裝置啟動期間出現，檢查大窯控制變頻器未發現異常（面板顯示正常、電子器件無損壞等跡象）；檢查供電系統變壓器中性線（零線），未出現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象）。隨后又重新啟動大窯變頻器時，上述異常現象又立即出現，因操作前采取了各種監測措施，測得變頻器啟動后，供電系統單相電壓升至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℃（環溫19℃）；大窯變頻器啟動停止后，電網電壓又恢復正常（220v）。因變頻啟動過程中（啟動過程持續了4~6s），窯體無任何轉動跡象，故檢查電機，打開接線盒發現繞組變黑，機殼內有濃烈的異味，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，因變頻器驅動電機絕緣損壞引起的供電系統電壓升高現象極為少見，也很難用電工學一般知識解釋。針對這次供電電網電壓升高異常現象，我們進行了全面現場檢查、測量，測得電機接地保護線與供電電網中性線（零線）相通（電阻為0ω），進一步排查發現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零線相接（作為保護接零措施）。這種接地線和零線共接構成了電氣設備的重復接地（又稱為環路式重復接地）。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。經分析其異常現象發生的機理如下：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、供電系統中性線（零線）疊加到供電變壓器低壓側工頻（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工頻電壓。則引起不同頻率電源電壓疊加現象，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、零線和接地線構成的電流回路如圖1所示。　　
　　根據電源疊加原理，在構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相互疊加現象，其兩個電源的電壓波形均會發生較大的變化［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）、接地線和電網零線等導體構成電流通路。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50hz交流電壓相互疊加問題，導致供電電網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a相電壓波形
　　
　　圖2變頻器輸出的b’相電壓與供電電網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，其結果相同）；圖2b）為供電系統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b、c相電壓波形與之相互疊加后的波形結果與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，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，均再未出現電網電壓升高現象。
　　
　　為防止類似故障導致供電系統電壓異常再次發生，我們采取了斷開4#回轉窯機體（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零線之間不會構成較大電流通路。則可避免因變頻裝置輸出接地后引起電網系統電壓升高的現象發生。在實際中，當變頻裝置一相接地后，其接地電流經過接地線、大地、供電系統中性線構成回路，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、變頻裝置等電能設備的電壓不會出現顯著升高現象。為證明本次處理結果的可靠性，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自動投入工作現象。　　
　　4、結束語
　　
　　隨著科學技術的迅速發展，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生產領域，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。