電解機(jī)組變頻器單相接地故障分析及解決方案

高 瑩

(沈冶重型裝備(沈陽)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110027)

0 引言

隨著自動化及自動控制行業(yè)的不斷發(fā)展,目前變頻器在鋁電解多功能機(jī)組上已經(jīng)普遍應(yīng)用,不同的設(shè)備制造商對變頻器的應(yīng)用品牌和功率的選擇略有不同,但在鋁電解多功能機(jī)組上,大小車行走、出鋁鉤升降等驅(qū)動基本采用了變頻調(diào)速技術(shù)。和早期的設(shè)備中應(yīng)用到的切電阻調(diào)速相比,變頻調(diào)速設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn),設(shè)備加速和減速柔和,機(jī)械沖擊小。

鋁電解多功能機(jī)組屬于一種特殊的起重機(jī)械,由于電解車間電解工藝的要求,車間內(nèi)鋁電解多功能機(jī)組的滑線供電系統(tǒng)不允許引入地線,在鋁電解多功能機(jī)組的供電系統(tǒng)中,為了進(jìn)一步保證設(shè)備和檢修人員的安全,采用隔離變壓器對電源進(jìn)行二次隔離,不引入地線,所有的電氣設(shè)備都處于非接地運(yùn)行狀態(tài),電解機(jī)組大梁上的設(shè)備外殼都與大梁等電位,所以對于一些電氣設(shè)備來說,天車的大梁就是這些電氣設(shè)備的懸浮地,電解機(jī)組上應(yīng)用的變頻器無法接地。

自從變頻器應(yīng)用到鋁電解多功能機(jī)組上之后,有多家用戶反映設(shè)備在運(yùn)行過程中,突然操作某些動作無反應(yīng),一般是變頻器驅(qū)動的設(shè)備無法運(yùn)行。出現(xiàn)這種情況時,經(jīng)過檢查會存在變頻電機(jī)損壞造成單相接地(懸浮地)或變頻器到電機(jī)之間的電纜出現(xiàn)問題造成變頻器輸出側(cè)單相接地(懸浮地),大部分燒毀的變頻器都是整流環(huán)節(jié)損壞,這種情況一般燒毀變頻器不止一臺,給設(shè)備使用企業(yè)帶來了較大經(jīng)濟(jì)損失。同時,用戶需要準(zhǔn)備備件并進(jìn)行變頻器更換,即使有備件,完成變頻器安裝和調(diào)試后,設(shè)備也需要4 小時以上能投入使用,如果沒有備件設(shè)備停用時間更長,給車間的生產(chǎn)工作帶來了巨大壓力。

變頻器集中燒毀,給用戶帶來的損失不僅僅局限于變頻器本身更換備件的費(fèi)用,影響生產(chǎn)工作可能會給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失,很多用戶對這一問題都非常重視,必須采取相應(yīng)措施,避免這種情況的多臺變頻器集中燒毀,保證設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行,滿足生產(chǎn)要求。

1 現(xiàn)場檢查情況

為了更好地分析現(xiàn)場出現(xiàn)的故障,對現(xiàn)場中同時出現(xiàn)工具車和出鋁車沒有動作進(jìn)行實(shí)地檢查和數(shù)據(jù)檢測。

該設(shè)備大車依靠2 臺22 kW 的電機(jī)驅(qū)動、2 臺電機(jī)由一臺90 kW 的變頻器拖動,工具車和出鋁車都依靠2 臺5.5 kW 電機(jī)驅(qū)動、2 臺電機(jī)由一臺18.5 kW 的變頻器拖動,在設(shè)備運(yùn)行過程中突然發(fā)現(xiàn)工具車、出鋁車均無法運(yùn)行,經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn),工具車及出鋁車變頻器均已燒毀,內(nèi)部有較為嚴(yán)重的電路板燒毀痕跡,經(jīng)進(jìn)一步確認(rèn)均為整流板損壞,有些電容嚴(yán)重?fù)p毀,大車變頻器到電機(jī)的電纜無破損;為了進(jìn)一步了解具體情況,采用萬用表和兆歐表等檢測工具進(jìn)行詳細(xì)檢測,在不操作大車行走時,變壓器二次側(cè)電壓分別為385 V、386 V、385 V。操作大車行走時,變壓器二次側(cè)電壓分別為535 V、538 V、536 V,電壓顯著升高,因該實(shí)驗(yàn)有一定破壞性,為了避免事故擴(kuò)大,只對大車行走操作時測量數(shù)據(jù)一次。之后對大車行走變頻器、大車變頻器到大車電機(jī)的電纜以及大車電機(jī)進(jìn)行詳細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)電機(jī)一組繞組與電機(jī)外殼無絕緣,單相與大梁短接,電阻為0 Ω,大梁與隔離變壓器中性點(diǎn)之間電阻為0 Ω。

2 電解機(jī)組變頻器單相對地分析

交流變頻調(diào)速技術(shù)原理是把工頻50 Hz 的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電,在改變頻率的同時也改變電壓,從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān),即頻率越快、轉(zhuǎn)速越快。隨著設(shè)備工藝對電機(jī)轉(zhuǎn)速要求的變化,變頻器可以調(diào)高或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足設(shè)備工藝對電機(jī)速度要求。

為了使變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波,使電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),從而獲得良好的工作性能,目前變頻器都是采用脈寬調(diào)制控制完成。

一個連續(xù)函數(shù)可以用無線多個離散函數(shù)逼近或替代的,在通用變頻器采用的交-直-交變頻裝置中,前級整流器是不可控的,給逆變器供電的是直流電源,其幅值恒定,可以設(shè)想用多個等幅不等寬的矩形脈沖波來替代正弦波,每一個矩形波的面積都與相應(yīng)時間段內(nèi)正弦波的面積相等,則這一系列矩形波的合成面積就等于正弦波的面積,也即有等效作用,這就是變頻器的正弦脈寬調(diào)制。

將變頻器的某一相輸出電壓單極性正弦半波n等分,把每一份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來替代,矩形脈沖的幅值不變,各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合,同樣,正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)脈沖波等效,這樣就形成了spwm 波形,以上是以變頻器單相上的電壓進(jìn)行分析的,實(shí)際上變頻器輸出電壓是經(jīng)正弦脈寬調(diào)制后的高頻脈沖系列,是一系列等高矩形脈沖波,振幅值等于直流電壓,脈沖的占空比按正弦規(guī)律分布,在一個周期內(nèi),脈沖的寬度和各脈沖之間的間隔是不相等的。由于電動機(jī)的繞組具有電感性,因此,盡管電壓是由一系列的矩形脈沖構(gòu)成的,但通過電動機(jī)的電流卻和正弦波十分接近。為了提高等效的精度,矩形波的個數(shù)越多,電壓波動相對越小,調(diào)制出來的波形越接近于正弦波,變頻器的性能越好。

圖1 變頻器單相單極性正弦調(diào)制波

變頻器的輸出電壓的有效值隨頻率而變化,即:

式中fx—變頻器的輸出頻率,Hz;

Uc—比例常數(shù)。

變頻器各相之間的線電壓有效值相等,頻率相同,相位角不同,各相之間的相位差相等,與變壓器二次側(cè)的交流電壓類似,只是在有效值的大小、各相輸出電壓的周期及初相位不同,這也是二者在特定條件下形成疊加造成變壓器二次側(cè)電壓大幅升高的一個重要因素。

變頻器輸出電壓的有效值隨著頻率的升高而不斷升高,變頻器的輸出屬于等幅不等寬的脈寬調(diào)制波,是通過逆變環(huán)節(jié)以變頻器直流母線上的電壓為基礎(chǔ)通過脈寬調(diào)試完成的變頻器交流電的輸出,所以,在變頻器某相有電壓輸出的時刻,該電壓等于變頻器直流母線電壓,沒有電壓輸出時,電壓為0 V,變頻器的輸出電壓就是在0 V 和與直流母線電壓相等的電壓值之間跳動。交流380 V 變頻器直流母線電壓:

在實(shí)際運(yùn)行過程中,變頻器的輸出電壓在0 V和537.32 V 兩個數(shù)值之間不斷跳動,脈沖的占空比按正弦規(guī)律變化,在一個周期內(nèi),脈沖方波的寬度和時間間隔是不相等的。

變頻器問世以來發(fā)生了很多變化,變頻技術(shù)也隨著電力電子及電子元件的性能變化而不斷變化,應(yīng)用電子器件性能不斷提高,也使變頻器性能越來越好,穩(wěn)定性也越來越高,自從變頻器應(yīng)用到國產(chǎn)鋁電解多功能機(jī)組上之后,已經(jīng)進(jìn)行了多代更新,與最開始的變頻器相比,功率越做越大,體積越來越小,穩(wěn)定性越來越好,保護(hù)功能越來越全面,操作越來越簡單,抗干擾能力也越來越強(qiáng)。目前應(yīng)用到工業(yè)上的變頻器電壓輸出波形基本近似多脈動正弦波,因電機(jī)繞組的感性存在,電機(jī)內(nèi)的電流更趨近于正弦波。圖2 為典型的變頻器輸出電壓的等效波形。

圖2 變頻器輸出電壓等效波形

在電解機(jī)組的供電系統(tǒng)中,采用隔離變壓器對電解機(jī)組的供電系統(tǒng)與供電電源進(jìn)行了有效隔離。變壓器的二次側(cè)相電壓瞬時值:

式中ω—角頻率;

Φ—初相位。

任意兩相電壓之間的相位角都是相差120 度。

變壓器二次側(cè)電壓波形如圖3 所示。

圖3 電解機(jī)組隔離變壓器二次側(cè)電壓波形圖

因電解機(jī)組的工藝要求,電解機(jī)組標(biāo)配漏電保護(hù)功能,該功能通過一個微型斷路器檢測特殊位置電機(jī)外殼和隔離變壓器中性點(diǎn)之間的電流來完成電機(jī)的漏電保護(hù)功能。

正常情況下,電機(jī)的外殼與電機(jī)的繞組之間是絕緣的,電阻值是無窮大的,電機(jī)外殼與隔離變壓器中性點(diǎn)之間沒有電壓,就不會產(chǎn)生電流,微型斷路器中沒有電流流過,一直處于合閘狀態(tài),不會跳閘;一旦電機(jī)發(fā)生漏電時,電機(jī)外殼相當(dāng)于某一相火線,因電機(jī)外殼和變壓器中性點(diǎn)之間是等電位的,火線和零線之間存在電壓,自然會產(chǎn)生電流,使得微型斷路器跳閘,微型斷路器通過控制系統(tǒng)停止設(shè)備供電,完成電解機(jī)組特殊位置電機(jī)的漏電保護(hù)功能。

圖4 電解機(jī)組漏電保護(hù)原理圖

鋁電解多功能機(jī)組的這一漏電保護(hù)功能,造成了變壓器的中性點(diǎn)與電解機(jī)組的大梁等電位,變壓器中性點(diǎn)連接于電解機(jī)組大梁這個懸浮地上。一旦發(fā)生變頻器電機(jī)絕緣破壞或變頻器到電機(jī)的電纜破皮單相連接到大梁,則變頻器的輸出電壓將回到隔離變壓器的中性點(diǎn)。

當(dāng)大車變頻電機(jī)一相繞組絕緣損壞單相對地(懸浮地)后,操作大車行走動作時,變頻器開始運(yùn)行,大車行走變頻器輸出的三相交流低頻電壓中的一相就會通過動力電纜、電機(jī)鐵心、漏電保護(hù)電機(jī)保護(hù)線路、隔離變壓器中性線疊加到供電變壓器二次側(cè)三相電源上。

圖5 的波形是施加到變壓器中性點(diǎn)的變頻電機(jī)故障相的電壓波形,圖6 是變壓器二次測三相交流電的電壓波形,由于電解機(jī)組大車行走變頻器是將變壓器二次側(cè)三相交流電壓整流、逆變成不同頻率的三相交流電壓,大車行走變頻器相當(dāng)于一個獨(dú)立的電源,其輸出的電壓波形初相位、頻率與隔離變壓器二次側(cè)供電不同。根據(jù)電源疊加原理,施加到變壓器中性點(diǎn)的變頻電機(jī)故障相的電壓與隔離變壓器二次側(cè)的三相交流電壓都將出現(xiàn)疊加現(xiàn)象,雖然變壓器二次側(cè)三相電的初相位不同,但是三相電壓的幅值和頻率是相等的,所以疊加后三相電壓的最大值要比原來大得多,且三相電壓的有效值基本相等。變頻器容量越大,啟動時負(fù)載電流越大,則疊加后的電壓越高,其危害程度也越嚴(yán)重。因此當(dāng)容量最大的大車行走電機(jī)單相繞組對電機(jī)外殼擊穿后,電機(jī)繞組的一相和大梁等電位,造成隔離變壓器繞組、變頻器、電機(jī)、漏電保護(hù)回路等導(dǎo)體構(gòu)成電流通路,大車行走變頻器啟動時,逆變器輸出的電壓頻率從0 Hz 緩慢地增加,變頻器輸出0～50 Hz 交流電壓與供電系統(tǒng)50 Hz 交流電壓相互疊加,導(dǎo)致隔離變壓器二次側(cè)三相電壓大幅升高,工具車變頻器和出鋁車變頻器相對容量較小,抗電壓波動的能力相對較小,所以工具車行走變頻器、出鋁車行走變頻器整流單元同時燒毀。

圖5 變頻器輸出的漏電相電壓波形圖

圖6 三相電源波形圖

3 解決方案

更換大車行走驅(qū)動電機(jī)、工具車行走變頻器、出鋁車行走變頻器,變頻器上電后調(diào)整參數(shù)后,設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行,在大車行走變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)時,多次測量電解機(jī)組隔離變壓器二次側(cè)電壓,沒有明顯過高的情況。設(shè)備恢復(fù)了正常運(yùn)行,但并沒有真正解決問題,應(yīng)該找到解決變頻電機(jī)絕緣擊穿或變頻器到電機(jī)之間的電纜破損造成單相接地(懸浮地)燒毀變頻器的辦法。

從以上的分析可以看出,在出現(xiàn)變頻電機(jī)絕緣故障或變頻器到電機(jī)之間的電纜破損造成單相接地的情況時,隔離變壓器的二次側(cè)電壓會有明顯升高,可以考慮通過一種瞬時反應(yīng)的過壓保護(hù)器實(shí)時監(jiān)測隔離變壓器二次側(cè)電壓。在鋁電解多功能機(jī)組的控制系統(tǒng)中,在隔離變壓器二次側(cè)增設(shè)超壓保護(hù)裝置和變頻器供電控制接觸器,超壓保護(hù)裝置檢測到過電壓的情況,立即向控制系統(tǒng)發(fā)出過電壓信號,控制系統(tǒng)PLC 執(zhí)行之前設(shè)定好的程序,斷開變頻器供電控制接觸器,變頻器供電電源斷開停止故障電機(jī)回路中變頻器的輸出,避免造成其他變頻器及該變頻器本身的燒毀問題。同時,在控制系統(tǒng)的觸摸屏上給出報警畫面彈出對話框,提示故障原因及處理方案。其電氣原理圖如圖7 所示:

圖7 過壓保護(hù)電氣原理圖

GY01 時刻監(jiān)測著T1 二次側(cè)的電壓,一旦出現(xiàn)變頻器輸出電纜單相對地造成T1 二次側(cè)電壓升高,則GY01 立即動作,并將控制信號發(fā)送到PLC,PLC根據(jù)內(nèi)部程序,立即將KM1 斷開,KM1 下面的變頻器立即斷電,同時進(jìn)行聲光報警,避免造成損失。

為了保證該保護(hù)功能的穩(wěn)定可靠,選用瞬斷型超壓保護(hù)裝置,避免動作時間過長起不到對變頻器的保護(hù)作用,這一點(diǎn)是解決方案的關(guān)鍵所在,為了確認(rèn)方案的可行性,控制系統(tǒng)增設(shè)過壓保護(hù)器及變頻器電源控制接觸器后進(jìn)行了現(xiàn)場模擬試驗(yàn),模擬電解機(jī)組大車行走變頻器輸出電纜單相接地,過壓保護(hù)立刻動作,在變頻器沒有出現(xiàn)任何問題的情況下,控制系統(tǒng)及時斷開了變頻器供電控制接觸器,觸摸屏彈出故障報警對話框,給出了故障原因和處理方案。

4 結(jié)束語

通過對電解機(jī)組變頻器發(fā)生單相接地故障造成變頻器集中燒毀的分析,闡明了變頻器集中燒毀的具體原因,并根據(jù)分析結(jié)果提出了具體的措施和解決方案。該技術(shù)經(jīng)過現(xiàn)場長期運(yùn)行,有效保護(hù)了變頻器,性能穩(wěn)定、判斷準(zhǔn)確、得到了良好的使用效果。