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        礦用變頻器漏電保護研究

        2018-04-02 08:38:25
        機械管理開發(fā) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:變頻器

        任 哲

        (同煤集團云岡礦, 山西 大同 037017)

        引言

        過流保護、漏電保護以及接地保護是確保煤礦井下安全供電的三大保護系統(tǒng),依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》,必須給礦井采區(qū)變電所、移動變電站以及配電點連接的相關(guān)饋電點裝設(shè)短路、過載以及漏電等保護裝置。

        由于變頻器具有很多優(yōu)點,如功率因數(shù)高、可平穩(wěn)啟動、沖擊電網(wǎng)小、轉(zhuǎn)矩大以及具有較寬的調(diào)度范圍等,因此煤礦綜采設(shè)備以及綜掘設(shè)備中都廣泛應(yīng)用了變頻器。而礦井生產(chǎn)環(huán)境惡劣,井下陰暗潮濕且存在大量的瓦斯爆炸氣體,以致變頻器在使用過程中,其輸出端至控制電動機間時常發(fā)生漏電現(xiàn)象,而礦井供電系統(tǒng)一旦發(fā)生漏電,一方面可能引發(fā)人身觸電事故以及瓦斯煤塵爆炸事故等。另一方面若礦井供電系統(tǒng)長期存在大量漏電電流,易加速電氣設(shè)備絕緣惡化,引發(fā)相間短路現(xiàn)象以及電氣火災(zāi)現(xiàn)象等,因此,為保障礦井供電安全,必須研究礦用變頻器漏電保護,采取相關(guān)漏電保護措施,第一時間切除漏電故障。

        1 變頻器工作原理

        用電壓型變頻器作礦用變頻器較多,圖1所示為該類變頻器的工作原理圖。把頻率固定的三相交流電輸入于變頻器的R、S、T端,經(jīng)全波整流電路可把交流電轉(zhuǎn)換為直流電,再由電容器來給直流電濾波,當(dāng)直流電壓較高(即波峰)時,可用電容器來把部分電場能儲存起來,當(dāng)直流電壓較低(即波谷)時,所裝設(shè)的電容器會依據(jù)實際情況,主動釋放部分電場能來對系統(tǒng)電壓進行補充,以確保直流電壓始終為平穩(wěn)狀態(tài),該直流電再經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電,最終所得的交流電頻率與電壓可隨意調(diào)節(jié),再從U、V、W端輸出該交流電,用該交流電來給三相異步電動機提供電源[1]。

        當(dāng)前,PWM技術(shù)是很多礦用變頻器電路主要采用的技術(shù)。在實際生產(chǎn)中,人們應(yīng)用等腰三角波或鋸齒波來充當(dāng)PWM波載波的較多,在這兩種波中,應(yīng)用最多的為等腰三角波。圖2所示為PWM變頻電路的調(diào)制輸出波形。當(dāng)載波頻率處于過低狀態(tài)時,會降低電動機實際有效轉(zhuǎn)矩,易造成電動機實際損耗增大,且電動機會升溫;當(dāng)載波頻率持續(xù)于較高狀態(tài)時,該變頻器輸出的電流波形正弦性會比較好,一方面會很平滑,另一方面諧波與干擾都會變小。但隨著載波頻率的逐步升高,變頻器產(chǎn)生的自身損耗也逐步增大,同時還伴隨有較大溫升,降低電動機的絕緣性能。

        圖1 變頻器工作原理圖

        圖2 PWM控制方式輸出波形圖

        2 變頻器漏電流的產(chǎn)生原因

        當(dāng)前很多礦用變頻器輸出側(cè)主要應(yīng)用IGBT功率開關(guān)部件,該部件具有一典型上升時間,該時間為100 ns左右,因此就圖2所示的PWM電壓信號來看,其dU/dt約為5 400 V/μs,而就中高壓變頻器而言,該類變頻器的dU/dt可達20 000 V/μs,變頻器產(chǎn)生的這些高頻成分在寄生電容與公共阻抗的作用下會逐步轉(zhuǎn)換為漏電流[2]。這些漏電流的傳播途徑主要有下列三種:

        1)電力電子器件與散熱器間的寄生電容發(fā)生耦合現(xiàn)象。

        2)電動機繞組與定子機殼間分布電容發(fā)生耦合。

        3)若變頻器裝設(shè)的輸出電纜較長,電纜與地間的分布電容發(fā)生耦合。

        就電壓源型低壓變頻器而言,在PWM控制下兩電平電壓源型變頻器,輸出端U、V、W輸出的電壓雖然存在120°左右的相位差,但這三者之和也不為0,也就是存在的零序電壓已較高。這樣電動機繞組與機殼間存在寄生電容,易形成漏電流[3]。此外變頻器連接電動機的電纜上也會有部分分布電容,該分布電容會隨連接電纜的增長而增大,同時隨分布電容的增大,其產(chǎn)生的漏電電流也會增大。如圖3所示為變頻器漏電電流在實際生產(chǎn)中傳出的主要途徑。

        圖3 變頻器漏電流傳出途徑示意圖

        3 井下漏電保護功能

        為使漏電保護的具體作用得到充分發(fā)揮,煤礦井下低壓檢漏繼電器應(yīng)具有下述幾點功能:

        1)應(yīng)具備漏電跳閘以及漏電閉鎖功能,并借助千歐表對電網(wǎng)絕緣狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)管[4]。

        2)當(dāng)電網(wǎng)與地之間的總絕緣電阻達到下表1各值時,檢漏繼電器應(yīng)立即動作,第一時間把設(shè)備供電電源切斷。

        3)當(dāng)電網(wǎng)與地之間的總絕緣電阻降至表2各值時,應(yīng)把設(shè)備電源開關(guān)進行閉鎖,嚴禁合閘送電,謹防事故進一步擴大。

        4)為有效防止發(fā)生人身觸電事故,檢漏繼電器的保護動作應(yīng)盡量快。

        電網(wǎng)電壓越高,相應(yīng)的人身觸電電流值也會越大。為使人身安全得到更好的保障,應(yīng)讓撿漏繼電器的動作速度加快,盡力縮短人身觸電時間。

        表1 漏電動作電阻整定值

        表2 漏電閉鎖電阻整定值

        4 礦用變頻器漏電保護裝置的選擇

        變頻器輸出側(cè)漏電流會隨著輸出電壓的增大而增大,同時輸出側(cè)對地絕緣電阻大小、寄生電容大小以及輸出電壓載波頻率大小等都會影響變頻器輸出側(cè)漏電流大小。在絕緣電阻值不發(fā)生變化的情況下,隨對地電容數(shù)值的增大,漏電流也會明顯增多,漏電危險便會更大。此外,變頻器產(chǎn)生的高頻諧波分量在寄生電容的影響下,也易產(chǎn)生較大的漏電流,該電流遠遠大于人身觸電電流的安全值,存在較大的安全隱患[5]。

        由于隨載波頻率的增大,變頻器對地電容也會不斷增大,會產(chǎn)生更大的漏電流,更易發(fā)生人身觸電危險。因此在煤礦井下利用變頻器進行生產(chǎn)作業(yè)時,必須有相應(yīng)的漏電保護裝置進行必要的保護作業(yè)。特別是變頻器處于高頻輸出狀態(tài)時,常會通過電纜對地電容產(chǎn)生漏電流,易使系統(tǒng)裝設(shè)的漏電保護裝置發(fā)生誤動作,至使變頻器不能正常工作,因此我們必須重視,科學(xué)、合理的選用漏電保護裝置,所選裝置必須適用于礦用變頻器,應(yīng)具備漏電閉鎖功能與漏電跳閘功能[6]。在沒有啟動礦用變頻器前,應(yīng)先把漏電閉鎖檢查工作做好。若檢測中發(fā)現(xiàn)變頻器輸出端對地絕緣電阻達到表2數(shù)值甚至比表2數(shù)值低時,應(yīng)及時閉鎖變頻器,安排維修人員對變頻器進行必要的維修檢查。在變頻器日常作業(yè)中,其所配備的保護裝置還應(yīng)具有完備的漏電跳閘保護功能,在實際生產(chǎn)中,可借助動態(tài)補償法來補償該漏電保護裝置,讓電容電流始終為完全補償狀,使漏電電流變小,更好地保障人身安全。

        5 結(jié)語

        礦用變頻器漏電現(xiàn)象具有一定的高危性,通過分析變頻器的工作原理、漏電流的產(chǎn)生原因與影響因素,可知變頻器輸出側(cè)漏電流主要受輸出電壓、輸出側(cè)對地絕緣電阻、寄生電容以及輸出電壓載波頻率等因素的影響,且隨著它們的增大,變頻器漏電電流值也會增大。在生產(chǎn)中,必須為礦用變頻器配置漏電保護裝置,且配置的漏電保護裝置功能應(yīng)符合礦用變頻器漏電保護需求。只有這樣才能有效減少礦用變頻器漏電事故,更好地保障礦井安全生產(chǎn)。

        [1]陳坤,夏明.變頻器前端漏電保護開關(guān)的研究和應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2013(1):88-91.

        [2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:中國法制出版社,2016.

        [3]胡宏秋.變頻系統(tǒng)漏電分析與研究[J].電氣傳動,2013(8):13-15

        [4]姜保軍,孫力,孫亞秀,等.電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI的抑制方法[J].電氣傳動,2006(5):9-12.

        [5]張艷偉,李峰.礦用高壓四電平變頻器的研究及應(yīng)用[J].煤礦機電,2015(4):80-81.

        [6]姜艷朱.現(xiàn)代變頻調(diào)速系統(tǒng)負面效應(yīng)研究及其對策[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2007.

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