IT供電變頻系統單相接地過電壓分析與止損對策

伍勇

（湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

目前工業現場的變頻傳動系統，一般采用集中整流公共直流母線供電形式。整流變壓器二次側采用中性點不接地形式，即所謂的IT供電系統。該類型的供電形式，在負載端發生接地時，會產生較高的過電壓，該過電壓疊加到整個傳動系統的主回路，將擊穿某個耐壓薄弱環節點，導致嚴重故障發生。此類故障在各現場有一定的發生頻次，基于該類故障具有一定的典型性和代表性，本文將引用現場實際案例，具體闡述過電壓產生的原因和過程，并提出相應防止危害的對策，為現場電氣技術人員提供借鑒。

1 案例故障現象描述

某鋼廠連續軋鋼生產線的電氣傳動供電為IT系統，采用變頻傳動交流電源。整流部分采用可控硅集中整流，通過公共直流母線帶多組逆變器輸出到電機負載。其原理示意圖如圖1所示。

圖1 集中整流變頻傳動系統示意圖

在某次啟動運行過程中，合閘整流單元情況正常，一旦當逆變器啟動輸出，就有某些組逆變器分別報警“電流不平衡”跳閘，傳動柜的整流單元交流進線斷路器MCB也跳閘，整流單元報警“交流進線電壓低”，檢查確認整流單元內過電壓吸收裝置的U相和接地端的壓敏電阻R1、R4擊穿，其與主回路連接的U相熔斷器F01燒斷、主整流橋正組的F11、F13兩組快熔及V11可控硅明顯擊穿損壞。在沒找到其他具體原因的情況下，更換損壞元件，再試車仍然發生多次燒損整流單元內過電壓吸收裝置的壓敏電阻及熔斷器并跳閘。最終查明此次故障的根本原因是直流母線所帶的某一組逆變器輸出電纜接地短路導致了過電壓。擊穿損壞了整個供電主回路的耐壓薄弱環節。變頻系統逆變器輸出側接地為什么會引起交流進線側過電壓呢？下面根據該類傳動控制系統主回路拓撲結構示意圖，分析在逆變器輸出側正常接地情況下，在不同的電壓狀態時整流單元交流進線側產生過電壓的過程和原因。

2 正常狀態下的電壓狀態分析

IT供電系統的三相進線對地電壓VLINE－PE是通過變壓器繞組和主供電母線的對地電容連接的。正常狀態下，IT系統的相對地電位情況與中性點直接接地的TN和TT系統的狀況很相似。在進線可控整流及不可控整流的整流器中，直流母線＋DC和－DC電壓跟隨進線電壓的正峰值和負峰值，因此直流電壓VDC相對于地PE是對稱的，直流母線正極＋DC對地電位為VDC／2，負極－DC對地電位為－VDC／2。逆變器每相的輸出通過IGBT的交替開關，與直流母線＋DC和－DC連接，因此，每相交替承受VDC／2和－VDC／2電位。由于較長輸出電纜的反射作用及暫態過程等因素影響，在電機端相對地電壓VMOTOR－PE會達到一個比逆變器輸出的相對地電壓VINV－PE更高的電壓值，嚴重時會達到兩倍 VINV－PE，即 VMOTOR－PE＝2·VINV－PE＝VDC。正常情況下的電壓狀態如圖2所示。

圖2 正常情況下的電壓狀態圖

3 單相接地下的電壓狀態分析

逆變器輸出側單相接地的情況下，由于IGBT的開關交替將接地點PE連接到直流母線＋DC和－DC，結果就是直流母線＋DC和－DC交替地接地，不接地的那一極直流母線對地電位會高于或低于VDC，不接地的逆變器輸出的另外兩相也通過IGBT的開關交替地連接到＋－DC直流母線上，因此也交替地承受電位在＋VDC到－VDC之間變化，由于較長的電纜反射及暫態過程、電機電抗器的安裝等因素影響，在電機端相對地的電壓VMOTOR－PE會達到一個比逆變器輸出相對地電壓VINV－PE更高的電壓值，最嚴重的情況會達到兩倍VINV－PE，即VMOTOR－PE＝2·VINV－PE＝2·VDC。

在這個過程中，由于IGBT的開關變換，相對地交替在＋DC和－DC之間變換電位，不僅是在逆變器和電機上增加電壓負荷，也會沖擊進線側交流電壓。這是因為在IT系統中，接地僅是通過電容，由于IGBT在＋DC和－DC之間交替變換電位的過程也會疊加到進線側交流電壓上，會導致進線側相對地電壓VLINE－PE會有一個非常大的提升，即產生進線交流側過電壓。

對比正常運行狀態，當接地發生時，進線側增加的相對地電壓會造成電壓正弦波畸變，逆變部分的直流母線所承受的相對地電壓負荷會達到兩倍的額定值，電機繞組承受的相對地電壓負荷也是兩倍的額定值。接地情況下的電壓狀態圖如圖3所示。

圖3 接地情況的電壓狀態圖

4 過電壓的危害評價分析

當接地導致過電壓產生時，過電壓以等于2倍的正常電壓負荷值施加到變頻傳動主回路的各個器件及電機繞組上，短時間（一般指24小時內）在系統有一定耐受的情況下，可能不會對系統有嚴重的影響。但如此高的過電壓來回沖擊變頻器、電纜、電機繞組，輕則影響變頻器本身的功率元件、電機繞組、電纜的使用壽命，重則擊穿回路耐壓薄弱點，造成更嚴重的短路事故。以上第1節的案例現象就具有明顯的代表性。在其他某些IT供電系統的現場，均發生過由于逆變器輸出側單相接地短路而造成整流單元的可控硅擊穿短路燒快熔的事故案例。歸納總結均是由于變頻傳動系統輸出的單相接地而導致主回路產生過電壓，進而造成一系列嚴重的故障。

5 過電壓危害防止措施探討

5.1 基本思路

鑒于IT供電系統發生單相接地時產生的過電壓會對系統產生較為嚴重的危害，故采取有效的防止措施尤為必要?？稍O計安裝一種合適的在線絕緣監控裝置來監測供電系統對地的絕緣電阻值，一旦某相發生接地，裝置動作發出報警。根據現場需要將報警信號送給上級控制系統或傳動本身，提醒維護人員及時排除接地點，盡快避免接地引起的過電壓。

5.2 在線絕緣監控裝置選型時應考慮的因素

目前國內外在線絕緣監控裝置產品較多，基本是采用等幅對稱方波充電測量法實時監測電網回路的對地絕緣電阻。在實際監測過程中，電網泄漏電容大小對監測至關重要。某些絕緣監控裝置不具備對電網泄漏電容自適應功能，一般通過手動設置，其缺點是被測電網系統電容一旦大于手動設定值，裝置將監測認為系統有接地，而無法正常地監測對地的絕緣電阻值。而被監測的電網泄漏電容通常是未知的，因此，選擇具備電網泄漏電容自適應功能的絕緣監控裝置具有明顯的優勢。

IT系統供電的變頻傳動系統，從電壓等級分為低壓、中壓、高壓等系列。在設計絕緣監控裝置時，必須依據電壓等級選擇。對于電壓低于1000V以下，只需要安裝絕緣監控裝置本身就可滿足監測要求。對于高壓1000V以上的電壓等級的電網回路，必須選擇加裝耦合器與絕緣監控裝置一起進行監測，目前耦合器的擴展電壓耐受，國內對于變頻傳動的電網，最高電壓只有1800V的產品，常規電網最高做到了7200V，國外某知名廠家的耦合器在變頻和常規電網均做到了15000V，可以根據實際情況，靈活選擇。

6 結論

IT供電變頻系統，在各工業現場均有大規模的應用，而復雜的現場環境，會導致電氣回路的絕緣降低，產生接地現象。本文引用現場實際案例現象，詳細分析了IT供電變頻傳動系統在接地情況下的過電壓產生過程及狀態，對過電壓產生的危害進行了一定的闡述，為防止過電壓的危害，提出了在線絕緣監控報警提醒措施，給出了在線絕緣監控裝置的選擇方法，為IT供電變頻系統防止接地過電壓危害提供了新思路。