變頻器接入電源系統方案選擇的重要性分析

薄宏巖，吳志忠

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯017209）

變頻器接入電源系統方案選擇的重要性分析

薄宏巖，吳志忠

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯017209）

低壓、高壓變頻器本身具有通過檢測輸入電源系統電壓、電流來判斷接地故障的功能，如果變頻器接入電源系統沒有隔離變壓器，由于輸入電源系統發生單相接地故障，變頻器保護就會動作跳閘。以某大型煤化工項目高壓變頻器選型為例，論述了6kV系統單相接地故障引起同一段母線上多臺高壓變頻器跳閘的原因。主要對變頻器接入電源系統類型進行了分析，最后闡明了在工程實際中做好變頻調速系統方案選擇的前提和必要性。

電源系統；接地故障；隔離變壓器；變頻器

1 引言

國內某大型煤化工項目氣化爐水煤漿泵高壓變頻器選擇的是輸入電源沒有隔離變壓器的方案，運行中電源系統發生單相接地故障時，同一母線段上的高壓變頻器跳閘停機。在我國電網大電流接地系統發生單相接地故障時，保護裝置動作跳閘切除故障點。6kV小電流接地系統發生單相接地故障時，電網系統及電氣設備可以繼續運行2小時。接在6kV不接地系統上的高壓變頻器跳閘，會給裝置平穩生產帶來較大的經濟損失。本文結合工程實例及電網系統的狀況，研究選擇變頻器接入電源系統的方案。文中對典型變頻器輸入電源隔離方案類型進行了分析論述，給工程技術人員提供在工程實際中的參考借鑒。下面首先從低壓變頻器接入電網系統的方式進行分析，然后主要論述高壓變頻器電源接入方案的類型和選擇。

2 低壓變頻器接地故障

低壓變頻器一般接入380V、600V大電流接地電源系統，出現單相接地故障電流很大，必須將故障回路和供電電源切除，電源被切斷，變頻器自然就停止運行，在輸入側安裝僅起隔離作用的變壓器沒有實際意義。不管低壓變頻器交流輸入電源側，還是變頻器輸出側單相接地，變頻器自身都會檢測出故障后停機。下面以低壓變頻器ACS500為例分析接地故障。

2.1 變頻器輸入電源側接地

（1）如果低壓母線、饋線斷路器、電源饋線電纜等部位發生單相接地短路故障，低壓母線進線斷路器、饋線斷路器電流保護元件動作跳閘，變頻器輸入電源被切斷，變頻器會失電，停止運行。

（2）系統接地的同時，變頻器本身也會檢測出故障，表1是ACS500變頻器接地故障信息。當低壓輸入電源接地時，變頻器自身檢測供電電源輸入及直流環節欠壓故障，故障代碼6表示直流欠壓，相電壓一相接地，中間回路因直流（DC）電壓不足而停機。

表1 ACS500變頻器接地故障信息

2.2 變頻器輸出側接地故障

當變頻器輸出側單相接地出現故障，比如變頻器饋線電纜、電動機等部位接地短路故障，變頻器本身也會檢測出故障。如表1所示，變頻器報出故障代碼16表示接地故障停機。

3 高壓變頻器接入方案

按高壓變頻器與供電電源接入方案劃分，分為帶有隔離變壓器和沒有隔離變壓器的兩種方式。以典型高壓變頻器為例，可以細分為變頻器通過電抗器接入，變頻器通過獨立隔離變壓器接入，以及變頻器通過移相整流隔離變壓器接入電網系統的三種方式。第一種方式采用能量回饋有源前端（AFE）整流技術，比如PowerFlex7000變頻器、ACS2000變頻器等。第二種方式獨立隔離變壓器為兩組繞組，不管一次側是三角形接線或星形接線，當6kV小電流系統發生單相接地時，變壓器二次側線電壓不變，變頻器繼續運行機組不停機。比如PowerFlex7000、ACS2000變頻器等，可以在有源前端輸入側設計獨立的隔離變壓器。第三種方式是變頻器輸入側帶有移相整流隔離變壓器，比如帶有18脈波整流變頻器，ACS1000帶有△／△－6（Y－11）接線方式移相變壓器的12脈波整流變頻器等。無諧波NBH系列高壓變頻器，MegaVert高壓變頻器，國產高壓變頻器等均可，輸入側設計帶有移相整流隔離變壓器。

4 高壓變頻器接入方式的區別

下面針對高壓變頻器接入電網系統不同方式的特點進行分析，以便選擇合適的變頻器調速系統方案，更好地滿足驅動設備運行要求。

4.1 電抗器接入電網方式

（1）首先以PowerFlex7000變頻器為例，不帶輸入隔離變壓器的6脈波整流變頻器，但輸入端帶有電抗器（DILR）與電力網相連接，圖1報示是Power－Flex7000變頻器電抗器連接方式框圖。圖中采用有源前端PWM整流，SGCT開關器件電流源（CSI）型變頻器，應用的是“直接連接到變頻器Direct－to－Drive”技術，輸入端電抗器作為選件可有可無。該變頻器的特點是：不需要隔離變壓器；變頻器與電動機之間不需要濾波電抗器。有源前端技術使用半導體開關減少系統諧波電流，能夠限制諧波在標準范圍內，并且基本不會對電動機產生共模電壓等。有源前端技術解決了能量回饋問題，實現了電動機四象限運行，特別適用于電動機驅動的慣性負荷工況。變頻器沒有輸入隔離變壓器相對優點是：降低了變頻器系統的投資，節省了安裝空間，提高了變頻器系統整機效率。缺點是系統接地時變頻器故障跳閘。

圖1 PowerFlex7000變頻器電抗器連接

當小電流接地電源系統出現單相接地短路時，假設接地相金屬性接地對地電壓為0，其它兩相對地電壓升為線電壓。表2所示是PowerFlex7000變頻器線路接地故障信息表。從表中可以看出，變頻器沒有輸入隔離變壓器時，母線系統發生單相接地，變頻器故障跳閘，機組停機。

表2 PowerFlex7000變頻器線路接地故障信息表

（2）下面再對比有源前端ACS2000變頻器，圖2所示是ACS2000變頻器電抗器連接方式框圖，要求輸入端必須帶有電抗器（LR）與電力網相連接，IGCT開關器件電壓源（VSI）型變頻器。

圖2 ACS2000變頻器電抗器連接

對于ACS2000直接連接方式變頻器，在選型時必須要明確變頻器接入系統是大電流接地系統，還是小電流接地系統。變頻器出廠前從技術上解決系統單相接地是否跳閘的問題，否則會發生系統單相接地時變頻器跳閘停機。文中的某大型煤化工項目選擇高壓變頻器采用的是有源前端技術，沒有輸入隔離變壓器，系統單相接地時存在多臺變頻器跳閘的問題。

4.2 帶有獨立隔離變壓器方式

如圖3所示是ACS2000帶有獨立隔離變壓器的變頻器框圖，同樣是采用有源前端技術，IFU是濾波器，隔離變壓器只有一二次兩組繞組。選擇該型變頻器接入電網系統的優點是母線系統出現單相接地短路，變頻器可以繼續正常運行。由于隔離變壓器在起作用，隔離變壓器一次側系統單相接地時二次繞組三相線電壓不變，對變頻器沒有影響保持繼續運行；缺點是存在投資和變壓器功率消耗增加的問題。對于關鍵機組為提升可靠性安全性，選擇帶有輸入隔離變壓器的變頻器是非常必要的。

圖3 ACS2000變頻器帶有隔離變壓器連接

4.3 帶有移相整流隔離變壓器方式

圖4所示是6kV完美無諧波36脈波變頻器框圖，與圖3中隔離變壓器結構不同，該變頻器隔離變壓器二次帶有18個繞組，二次繞組為延邊三角形結構，分成不同6個相位組，相互差10°電角度。是先進的移相整流隔離變壓器多重化技術，優點是二次繞組起到均壓作用，防止功率器件受壓不均損壞，6組功率單元電壓降為630V組成串聯結構。極大地降低了諧波污染，輸入的諧波得到了有效治理。輸入輸出可以不用濾波器，輸入功率因數能夠達到0.95，輸出波形接近正弦波。

圖4 6kV完美無諧波36脈波變頻器

ACS1000輸出電壓3.3kV變頻器，變頻器輸入側為三繞組移相整流隔離變壓器，為了獲得12脈波整流，變壓器二次兩組繞組有30°相位差，其中一個繞組為星形連接，另外一個繞組為三角形連接。對于多臺變頻器在一段母線上，為降低諧波污染，也可以選擇24脈波的移相整流隔離變壓器，變壓器二次為12個繞組，分成不同4個相位組，相互差15°電角度。

5 結束語

6kV小電流接地系統發生單相接地故障時，系統母線和電氣設備可以繼續運行一段時間，高壓變頻器本身具有判斷接地故障功能，如果變頻器接入母線系統沒有隔離措施，變頻器保護會動作跳閘。為此，選擇好變頻器接入系統方案是非常必要的。

工藝流程上要求連續運行關鍵機組驅動，或者母線上有多臺高壓變頻器的情況下，在選擇高壓變頻器接入電網方案時，有必要選擇獨立隔離變壓器，或者帶有移相整流隔離變壓器的變頻器。

對于驅動慣性負荷，以節約能源為主，要求控制投資。系統發生單相接地故障率極低，在機組停機無大礙的情況下，可以優先考慮選擇有源前端直接連接變頻器技術方案。如果情況允許，建議給變頻器加裝自動工頻旁路功能。

在工程設計階段做好高壓變頻器方案的比對，工程前期論證非常必要。最好與制造商專業工程師充分對接，了解掌握變頻器性能、保護配置、參數設置等，避免出現變頻器方案選擇不當的問題。

［1］吳忠志.沒有高壓隔離變壓器的高壓變頻器不能正常運行［J］.變頻技術應用，2014，（2）.

［2］李登峰.高壓變頻裝置配套用移相整流變壓器［J］.變頻器世界，2006，（10）.

［3］張 亮，蔡 旭，陳國棟，張建文.高壓變頻器研究和應用現狀［J］.第四屆中國高校電力電子與電力傳動學術年會論文集，2010.

作者介紹：

薄宏巖（1964－），男，副高職，主要從事石油化工、煤制油化工電力系統及電氣設備運行與維護管理工作。

Analysis of importance of scheme selection for converter power supply system

BO Hong－yan
（Ordos Coal－derived Oil Branch，China Shenhua Coal－derived Oil Chemical Co.，Ltd.，Ordos 017209，China）

The low－voltage and high－voltage converters themselves have the judging function for the grounding faults by detecting the input voltage and the input current of the input power supply.If the inverter connected into the power supply system without isolating transformer，it may cause the converter protection action and the input power switching－off in case of the single－phase grounding faults happen in the input power supply system.Taking a large coal chemical project of high－voltage inverter as a selection model，the reasons of one single－phase grounding fault causing multiple high－voltage converters tripping on the same bus in the 6kV system are discussed.The types of the converter power supply system are analyzed.The necessity and the premise of the scheme selection for the frequency control systems are also given.

power supply system；grounding fault；isolating transformer；frequency converter

M344.6

：B

1005—7277（2017）01—0050—04

2016－09－05