中性點箱位三電平高壓變頻器的過電壓保護研究

張文俊

摘要：本文通過利用ZnO壓敏電阻接入位置和接線形式的分析，探討了中性點箱位三電平高壓變頻器的過電壓保護問題。本文認為將一只ZnO壓敏電阻接于逆變部分輸入直流母線兩端和三只參數相同ZnO壓敏電阻三相三角形接法接于逆變部分輸出，可以實現對中性點箱位三電平高壓變頻器的過電壓保護。

關鍵詞：ZnO壓敏電阻接入位置接線形式過電壓保護

一、ZnO壓敏電阻接入位置分析

使用Zno壓敏電阻對中性點箱位三電平高壓變頻器進行外部過電壓保護需要考慮Zno壓敏電阻接入系統中的位置，這不但要分析外部過電壓發生時，ZnO壓敏電阻是否能準確及時地動作，還要分析ZnO壓敏電阻動作后，是否能有效限制過電壓。

當ZnO壓敏電阻接于位置2時，它能很好地限制高壓變頻器輸出發生的過電壓。但是，它的殘壓將使系統電流增大，電流變化率也相應增大，導致輸出濾波電感感應電壓增大。如果輸出濾波電感感應電壓與ZnO壓敏電阻殘壓正向疊加后，再通過逆變部分IGCT反并聯二極管整流對直流環節箱位電容充電，則可能會導致逆變部分輸入過電壓。因此，當ZnO壓敏電阻接于位置2時，它不能對高壓變頻器進行有效的過電壓保護。

當ZnO壓敏電阻接線位置3時，它能很好地限制直流電容兩端的電壓。但是，如果ZnO壓敏電阻處于工作狀態，直流電容兩端電壓上升為ZnO壓敏電阻的殘壓，將使直流母線電流增大，電流變化率也相應增大，直流環節限流電感感應電壓增大。如果限流電感感應電壓與直流電容電壓正向疊加，則可能會導致逆變部分輸入過電壓。

因此，當ZnO壓敏電阻接于位置3時，它不能對高壓變頻器進行有效的過電壓保護。當ZnO壓敏電阻接于位置4時，不管是發生輸入過電壓還是輸出過電壓，它都能直接對逆變部分輸入電壓進行抑制，只要設計的Zno壓敏電阻工作時的殘壓低于逆變部分耐壓，就能對逆變部分進行有效的過電壓保護。因此，當ZnO壓敏電阻接于位置4時，它能對高壓變頻器進行有效的過電壓保護。

當ZnO壓敏電阻接于位置5時，它能有效地限制高壓變頻器輸出發生故障時引起的相間過電壓情況。比如高壓變頻器輸出AB兩相發生相間短路，由于短路兩相電流突然變化，電流變化率很大，從而輸出濾波電感感應電壓增大，可能會導致AB兩相相間過電壓，而處于位置4的ZnO壓敏電阻只能保護逆變部分輸入過電壓，而不能保護逆變部分相間過電壓，因此，有必要在位置5接入ZnO壓敏電阻對逆變部分相間過電壓進行保護。

綜上分析，將合理設計的ZnO壓敏電阻接于逆變部分輸入和輸出才能有效地進行外部過電壓保護。

二、接線形式分析

下面詳細分析ZnO壓敏電阻接于位置4和位置5的接線形式。當ZnO壓敏電阻接于位置4時，有以下兩種接法：一是直流正、負母線分別接一只Zno壓敏電阻接地；二是一只Zno壓敏電阻直接接于直流正負母線之間，與逆變部分并聯。對于第一種接法，ZnO壓敏電阻兩端參考電壓為直流正母線對地電壓或直流負母線對地電壓。由于中性點箱位三電平高壓變頻器直流環節本身沒有接地點，其中性點電壓不為零，只要保證逆變部分輸入直流正、負母線間的電壓在一個確定的范圍內就能使高壓變頻器正常工作。但是，如果因為控制策略等原因造成的中性點漂移可能會使直流正母線對地電壓或直流負母線對地電壓高于ZnO壓敏電阻標稱電壓，而直流正、負母線間的電壓又可能處于正常工作范圍，這就會導致ZnO壓敏電阻誤動作。

此外，這種接法雖然可以保證大電流不會對逆變部分造成危害，但是可能會引起較大的負載電動機共模電壓，危害電動機安全；同時，高壓變頻器系統相對于電網而言處于對地放電狀態，相當于接地短路，工作不正常。對于第二種接法，ZnO壓敏電阻兩端參考電壓為直流正負母線間電壓，能直流反應逆變部分輸入過電壓情況，有利于電壓保護。當過電壓達到Zno壓敏電阻標稱電壓時，ZnO壓敏電阻開始工作，大電流通過Zno壓敏電阻直接從一條直流母線流向另一條直流母線，不會對負載電動機造成影響，也不會對逆變部分造成影響，整個高壓變頻器系統相對于電網而言沒有發生故障，只是負載發生了變化。因此，當ZnO壓敏電阻接于位置4時，采用一只ZnO壓敏電阻直接接于直流正負母線之間的形式能實現高壓變頻器過電壓保護的目的，同時也不會對高壓變頻器正常工作和負載電動機帶來不良影響。

當ZnO壓敏電阻接于位置5時，Zno壓敏電阻是對逆變部分輸出三相交流方波電壓或者由于故障導致的三相正弦電壓進行過電壓保護，主要有以下三種接法：一是三只zno壓敏電阻三相星形連接；二是四只ZnO壓敏電阻三相四線制星形連接；三是三只ZnO壓敏電阻三相三角形連接。

對于三相星形接法，任意兩只ZnO壓敏電阻所承受的電壓為逆變部分輸出線電壓。為了達到良好的過電壓保護效果，要求三只ZnO壓敏電阻各項性能參數完全相同。

當某兩相之間發生過電壓情況時，要求這兩相之間串聯的兩只ZnO壓敏電阻能同時進入工作狀態并且具有相同大小的殘壓。然而，對于ZnO壓敏電阻而言，很難保證串聯的ZnO壓敏電阻動作之后的殘壓值是相同的，增加了Zno壓敏電阻設計制造難度，不易實際應用。

對于三相四線制星形接法，它與三相星形接法的不同在于多了一只從公共點接地的Zno壓敏電阻。為了達到良好的過電壓保護效果，它同樣要求四只Zno壓敏電阻的性能參數完全相同。當某兩相發生故障而造成與該兩相相連的ZnO壓敏電阻工作時，公共點的電壓值會因為這兩只ZnO壓敏電阻的工作而發生變化，這可能導致三種情況：一是接地ZnO壓敏電阻由于公共點電壓提升到標稱電壓而進入工作狀態，擴大事故影響；二是正常相因為公共點電壓提升而出現過電壓情況，造成正常相Zno壓敏電阻也進入工作狀態，擴大事故影響；三是如果正常相隨后也出現過電壓情況，由于公共點電壓的提升，與它們連接的ZnO壓敏電阻兩端電壓未達到標稱電壓而導致Zno壓敏電阻沒有及時動作，而造成被保護設備過電壓損壞。因此，三相四線制星形接法不能對高壓變頻器進行有效的過電壓保護。

對于三相三角形接法，每只Zno壓敏電阻獨自承受逆變部分輸出線電壓，它們之間沒有相互影響，三只ZnO壓敏電阻各項性能參數要求基本相同。只要合理設計ZnO壓敏電阻的性能參數，就能達到對高壓變頻器進行過電壓保護的目的。

三、結論

綜上分析，本文認為將一只ZnO壓敏電阻接于逆變部分輸入直流母線兩端和三只參數相同ZnO壓敏電阻三相三角形接法接于逆變部分輸出，可以實現對中性點箱位三電平高壓變頻器的過電壓保護。