變頻器輸出電纜短路異常分析

吳利民

摘 要：變頻器因其優異的調速特性，在電站鍋爐的給粉機中有著廣泛應用。本文根據一次給粉變頻器輸出電纜短路的異常事件，對變頻器輸出電纜短路的故障現象及原理進行詳細分析。

關鍵詞：變頻器；輸出；短路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.185

1 引言

三相異步電動機轉速公式為：n=60f（1-s）/p 從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可達到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉速兩種。 在生產機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。變頻器則是利用改變輸出頻率從而達到電機改變轉速的目的。

變頻器與常規電氣設備在結構原理上有著顯著地區別，因此在發生短路故障時的現象及原理也有著自身的特點。

2 變頻器工作原理

變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。

交直交變頻器由整流器、逆變器和控制電路三部分組成。整流器為二極管三相橋式不控整流器或大功率晶體管組成的全控整流器，逆變器是大功率晶體管組成的三相橋式電路，其作用正好與整流器相反，它是將恒定的直流電交換為可調電壓，可調頻率的交流電。中間濾波環節是用電容器或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。 交直交變頻器按中間直流濾波環節的不同，又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。三個組成部分作用如下：

（1）整流器的作用是把三相（或單相）交流電源整流成直流電。在SPWM變頻器中，大多采用全波整流電路。大多數中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或者二極管模塊。

（2）逆變器的作用與整流器相反，是將直流電逆變為電壓和頻率可變的交流電，以實現交流電機變頻調速。逆變電路由開關器件構成，大多采用橋式電路，常稱逆變橋。在SPWM變頻器中，開關器件接受控制電路中SPWM調制信號的控制，將直流電逆變成三相交流電。

（3）控制電路這部分電路由運算電路、檢測電路、驅動電路、保護電路等組成，一般均采用大規模集成電路。

3 故障實例

公司4號爐為中儲式制粉系統，共有12臺給粉機向鍋爐供粉，根據鍋爐負荷大小，利用變頻器調節給粉機轉速從而改變給粉量。某次4號爐制粉系統在運行過程中，9米防爆門突然爆破，大量高溫風粉混合物噴出，引燃了給粉機變頻輸出電纜。

4號爐制粉系統爆破故障發生后，4號爐12臺給粉機變頻器逐臺相繼跳閘，每臺跳閘時間間隔不等。當時跳閘變頻器故障首出均為電源電壓異常，有的變頻器報電源A相電壓低，有的報電源B相電壓低。初步懷疑給粉變頻電源出現了問題，迅速對電源進行了排查，但經測量給粉變頻電源三相電壓均正常，并且對給粉變頻進行了雙電源切換，均正常未發現故障。

變頻器跳閘后告電源電壓低，但電源電壓一切正常，隨后懷疑變頻器本身故障了，于是開始著手更換變頻器。在更換一臺變頻器后，重新上電，立刻又出現原先的電源故障告警跳閘。更換變頻器無效后，將新變頻器的輸出電纜拆掉，變頻器空試輸出電壓完全正常，告警不再出現。接著測量變頻器輸出到給粉機電機之間的電纜絕緣，對地為0。

最終經過就地進行檢查，發現給粉變頻器輸出到給粉電機之間的電纜在磨煤機上方電纜橋架處被爆破的火星引燃，電纜絕緣燒壞引發了短路故障，由于給粉變頻器輸出電纜不斷短路，從而導致了給粉機相繼跳閘。

4 原因分析

主要原因是制粉系統故障后未能及時發現，防爆門爆破將大量高溫風粉混合物噴出至變頻器輸出到給粉電機之間的電纜上，電纜上同時存在大量積粉，被爆破的火星引燃，電纜絕緣燒壞引發了短路故障。

至于變頻器輸出側電纜發生短路跳閘，而告警為電源異常的原因，和勵磁變低壓側發生接地，發電機會告警轉子一點接地的機理是相同的。當勵磁系統可控硅導通時，交直流側就連在一起了，那么勵磁變低壓側的接地點也就會成為直流側轉子回路的接地點，從而引發轉子一點接地告警。變頻器的回路與勵磁系統相比，增加了逆變回路，但故障傳遞的機理是一致的，具體示意圖如下：

所以，變頻器雖然輸入輸出側是相對獨立的，但變頻器在50HZ交流變直流再逆變成交流的過程中，回路中的整流管及IGBT管是有序導通的，在實現能量從電源側向負荷側傳輸的同時，負荷側的故障點也會傳遞為電源側的故障點，從而引發電源電壓異常或者變頻器檢測到電源故障，最終發出了電源異常的告警信號。

5 改進措施

由于制粉系統防爆門離給粉機變頻器電纜過近，導致爆破噴出的高溫風粉混合物將電纜上的積粉引燃，所以下一步需要及時清理鍋爐房內電纜積粉，并在防爆門與電纜間加裝隔離措施。

嚴格按照制粉系統爆破流程進行故障處理。發現磨煤機出入口及其它部位有火星時，可加大給煤量降低出口溫度，同時壓住回粉管鎖氣器，必要時停止制粉系統進行處理。制粉系統著火或已經爆炸，應緊急停止制粉系統，關閉粉倉及絞龍吸潮管，保持一次風壓穩定，防止擴大事故，打開蒸汽消防進行滅火。滅火后，在班長親自監護下，小心地開啟磨煤機出入口人孔門，全面檢查各著火處火源是否消除，如磨煤機內煤粉著火未消除，則由磨煤機出入口人孔門噴入霧狀的消防水，將火澆滅后，拆除周圍一切可能著火的腳手架等物，并準備足夠數量的滅火器，周圍5米內不準有人停留，然后通知司爐將磨煤機啟動空轉1—2分鐘，再次檢查內部，確認無火后方可關閉出入口人孔門，并通知檢修人員更換已破損的防爆門，然后對系統緩慢地進行通風暖管，確定全部正常后才能重新啟動。若防爆門爆破，使鐵皮等物進入排粉機，使葉片沖擊或劇烈振動，應立即停止排粉機。如果短時間內不能恢復時，可根據粉位情況進行送粉或向鄰爐轉移部分負荷。 此次事件在處理過程中，最大的問題則是受到了變頻器跳閘首出的干擾，一直將故障判斷的思路局限在了給粉變頻電源以及變頻器本身上，長時間對無故障的區域進行排查和處理，導致真正的故障點不斷惡化。所以今后在處理異常過程中，除了依據告警首出外，還應擴大其它范圍的查找判斷，特別是電氣系統事故，大多都在事故發生的瞬間，受到沖擊的設備會同時出現跳閘。如果出現事故后某些設備相繼不斷跳閘，此時可重點懷疑是否發生了火災或者水淹設備區等慢性惡化事故，應當迅速對相關區域進行全面排查。endprint