变频器过电压故障原因及对策.docx

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变频器过电压故障原因及对策

变频器过电压故障原因及对策

1 、引言

变频器自20世纪60年代问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用。

20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及，广泛应用于国民经济的各行各业和人民的日常生活中，变频器产品也从以大功率双极晶体管（GTR）为主的时代发展为以绝缘栅晶体管（IGBT）为主的时代。

我国变频器年销售量仅为数千万元，几乎都是国外品牌，经过十余年的推广和使用，变频器已得到广大企业用户的认可，20世纪90年代，变频器才得以大规模进人中国，在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织，空调等行业有十分广阔的应用空间。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

在日常工作中我们经常遇到变频器过电压故障保护，就变频器过压保护本文作了一些浅谈，变频器中间直流电压达到危险程度后采取的保护措施，这是变频器设计上的一大缺陷，在变频器实际运行中引起此故障的原因较多，可以采取的措施也较多，在处理此类故障时要分析清楚故障原因，有针对性的采取相应的措施去处理。

 2 、变频器过电压的危害

     变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压，中间直流回路过电压主要危害在于:

（1） 引起电动机磁路饱和。

对于电动机来说，电压主过高必然使电机铁芯磁通增加，可能导致磁路饱和，励磁电流过大，从面引起电机温升过高;

（2） 损害电动机绝缘。

中间直流回路电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大，对电机绝缘寿命有很大的影响;

 （3） 对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。

因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定在DC800V左右，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。

3 、产生变频器过电压的原因

 3.1、 过电压的原因

  一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面:

（1） 来自电源输入侧的过电压

  正常情况下的电源电压为380V，允许误差为-5%～+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V，个别情况下电源线电压达到450V，其峰值电压也只有636V，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。

电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等，主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。

（2） 来自负载侧的过电压

 主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。

此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升。

达到限值即行跳闸。

 3.2 、从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因

  从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如下:

（1） 变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。

     当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，而负载惯性比较大，靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流回路电压升高，超出保护值，就会出现过电压跳闸故障。

     大多数变频器为了避免跳闸，专门设置了减速过电压的自处理功能，如果在减速过程中，直流电压超过了设定的电压上限值，变频器的输出频率将不再下降，暂缓减速，待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。

如果减速时间设定不合适，又没有利用减速过电压的自处理功能，就可能出现此类故障。

（2） 工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行

    工艺流程限定了负载的减速时间，合理设定相关参数也不能减缓这一故障，系统也没有采取处理多余能量的措施，必然会引发过压跳闸故障。

 （3） 当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态，位能负载下降过快，过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力，过电压故障也会发生。

（4） 变频器负载突降

    变频器负载突降会使负载的转速明显上升，使负载电机进入再生发电状态，从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量，短时间内能量的集中回馈，可能会中间直流回路及其能量处理单元的承受能力引发过电压故障。

 （5） 多个电机拖动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。

以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起了过电压故障。

处理时需加负荷分配控制。

可以把变频器输出特性曲线调节的软一些

 （6） 变频器中间直流回路电容容量下降

     变频器在运行多年后，中间直流回路电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过电压跳闸几率会增大，这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。

4、过电压故障处理对策

     对于过电压故障的处理，关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，使其过电压的程度限定在允许的限值之内。

下面是主要的对策:

（1） 在电源输入侧增加吸收装置，减少过电压因素

对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下，可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。

（2） 从变频器已设定的参数中寻找解决办法

 在变频器可设定的参数中主要有两点:

 ★ 减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。

在工艺流程中如不限定负载减速时间时，变频器减速时间参数的设定不要太短，而使得负载动能释放的太快，该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限，特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。

如果工艺流程对负载减速时间有限制，而在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象，就要设定变频器失速自整定功能或先设定变频器不过压情况下可减至的频率值，暂缓后减速至零，减缓频率减少的速度。

 ★ 是中间直流回路过电压倍数。

（3） 分析工艺流程，在工艺流程中寻找解决办法

     如某厂氢氧化铝捞取浮游物项目袋滤机系统，有8台50kW进料泵、4台30kW回流泵采用富士变频器调速，在袋滤机工作流程中每隔20～30min需要将吸附在滤布上的滤饼除去，除去滤饼的方法是使滤布的出料侧压力高于进料侧压力，形成较高的压差使料浆倒流来实现的。

在蓄能阶段，进料泵闭环于流量参数，为了保持恒定流量，变频器的频率一直在提升，到了回流阶段，进料阀门突然关闭，进料泵变频器负载突降，电机进入再生发电状态，引发过电压故障。

我们分析在蓄能阶段后期只要在袋滤机内形成满足去除滤饼所要求的压力即可，没有必要形成过高的压力，而使变频器运行于过高的频率段，对于此故障可以在蓄能阶段引入袋滤机内部压力值，达到所需压力即停止频率的上升。

或可以在蓄能的整个阶段停止频率的上升，这样就可以大幅减少回流阶段负载侧能量向中间直流回路的回馈。

这一点在DCS集散控制系统中是可以办到的。

     如袋滤机系统中回流泵因2～3台袋滤机对滤布反冲洗时，循环卸料，时间短,流量大，料浆中混有空气，引起回流泵打空转，负载突减，使电动机处于再生制动工况，导致变频器中间直流回路过电压，变频器保护跳闸，对于这一故障，可以从工艺方面入手，在每台袋滤机的回流出口至回流槽处加缓冲槽，改变回流流量突变状况，减小流量变化对变频器的影响，解决过电压问题。

 （4） 采用增加泄放电阻的方法

      一般小于7.5kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻，大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻，为中间直流回路多余能量释放提供通道，是一种常用的泄放能量的方法。

其不足之处是能耗高，可能出现频繁投切或长时间投运，致使电阻温度升高、设备损坏。

 （5） 在输入侧增加逆变电路的方法

     处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路，可以将多余的能量回馈给电网。

但逆变桥价格昂贵，技术要求复杂，不是较经济的方法。

这样在实际中就限制了它的应用，只有在较高级的场合才使用。

 （6） 采用在中间直流回路上增加适当电容的方法

     中间直流回路电容对其电压稳定、提高回路承受过电压的能力起着非常重要的作用。

适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过电压的有效方法。

这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法，是以增大变频器容量的方法来换取过电压能力的提高。

 （7） 在条件允许的情况下适当降低工频电源电压

    目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥，电源电压高，中间直流回路电压也高，电源电压为380V、400V、450V时，直流回路电压分别为537V、565V、636V。

有的变频器距离变压器很近，变频器输入电压高达400V以上，对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大，在这种情况下，如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档，通过适当降低电源电压的方式，达到相对提高变频器过电压能力的目的。

（8） 多台变频器共用直流母线的方法

    至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好的解决变频器中间直流回路过电压问题，因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流，这样就可以基本上保持共用直流母线的电压。

使用共用直流母线存在的最大的问题应是共用直流母线保护上的问题，在利用共用直流母线解决过电压的问题时应注意这一点。

（9） 通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题

    在很多工艺流程中，变频器的减速和负载的突降是受控制系统支配的，可以利用控制系统的一些功能，在变频器的减速和负载的突降前进行控制，减少过多的能量馈入变频器中间直流回路。

如对于规律性减速过电压故障，可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥，在减速前将中间直流电压控制在允许的较低值，相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力，避免产生过电压故障。

而对于规律性负载突降过电压故障，可利用控制系统如FOXBORO的DCS集散系统的控制功能，在负载突降前，将变频器的频率作适当提升，减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路，以减少其引起的过电压故障。

 5、 结束语

    变频器中间直流过电压故障是变频器的一个弱点，关键是要分清原因，结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况，才能制定相应的对策，只要认真对待，该过电压故障是不难解决的。

常见的接地故障隐患及其防范

摘要根据接地故障电气火灾的形成原理和特点,并结合工厂生产运行及其配电系统的实际情况,详细分析了在工厂存在着的电气火灾隐患,并提出了预防措施。

关键词接地故障火灾电弧等电位

1接地故障的基本特点

接地故障是指相线和电气装置的外露导电部分（包括金属的电气设备外壳、敷线管槽、电气装置的构架等）、装置外导电部分（包括金属的水、暖、煤气、空调管道和建筑物金属结构等）以及大地之间的短路。

与相线和中性线之间的单相短路相比,接地故障存在着故障点多面广,故障电流小,故障电压较低,故障电流、电压传播范围大,故障隐蔽性强等特点。

它不仅能引起人身电击事故,也是我国常见多发的电气火灾的原因。

2接地故障电气火灾的起火原因

一般短路故障发生后,其短路电流较大,短路保护元件会迅速动作而切断电路,防止形成火灾,其故障点也容易被发现。

接地故障则不然,其故障电流要小得多,且因为一般的低压配电系统中都用过电流保护元件兼作接地故障保护,所以发生接地故障后,保护元件一般不动作,故障电流、电压在系统内沿PE线或N线传导,故障持续存在,一旦燃烧条件成熟,就能引发火灾。

3工厂的接地故障电气火灾隐患

克拉玛依石化厂地处西北边陲,原油一次加工能力为350x10

at/a,是一个有着40年生产历史的大型石化企业,厂内绝大部分场所属于易燃易爆场所,对电气安全有着极高的要求。

目前,克石化厂低压配电系统主要采用TN-S系统,少数局部采用TT系统,多年来,总的运行情况尚可,尚未发生大事故,但小事故仍时有发生,且因处理及时而不为人所重视,对克石化厂的安全生产存在着潜在的威胁。

下面举例说明之。

3.1接地故障电流、电压沿PE线在装置内传导

图1是克石化厂生产装置内的配电系统典型示例,低压（380/220V）用电负荷由变配电室用电缆沿电缆沟、架空桥架或直埋敷设供电,变压器中性点接地

（即工作接地）、电气装置的金属外壳等的接地（即保护接地）、工艺设备的防雷接地、防静电接地合为一体,用40×4镀锌扁钢作PE线将四种接地连通,并在装置内设数处重复接地。

由于装置内线路较长,用电设备、照明设施较分散,使装置发生接地故障的几率大大增加,如高压侧因鼠、蛇害而发生接地故障（d1）,室外电缆破损而发生接地故障（d2）,室内照明线路绝缘老化而发生接地故障（d3）等。

接地故障防不胜防,且因电流小、过流保护元件（断路器）不会动作而没有明显征兆,但是弱小的接地故障电流会沿PE线在装置内传导,使PE线和与PE线相连的所有电气装置外壳、工艺设备外壳等均带有对地电压。

这样就有两种可能:

一种是故障电流在故障点或PE线路连接上有松动不实处产生电弧火花进而引起局部高温。

电弧是一种大阻抗,其电流值不大,但其释放的能量却相当高。

如电流值为2A的电弧其温度可达2000℃,电流值为0.5A的电弧能量就足以引燃可燃物。

一旦某些电弧拉出后维持的时间稍长,且其存在场所内有易燃易爆物质,如汽油或汽油蒸汽薄雾,就能引起火灾或爆炸事故;另一种是所有电气装置的外露导电部分带对地电压后,就在与没有接入装置接地系统内的带地电位的水、暖管道、金属构件之间产生了电压,这就意味着在易燃易爆场所内通过了一根裸露的“火线”,这是非常危险的。

一旦这二者之间距离很近或因人为因素使之发生磕碰,就能打火、拉出电弧。

达此程度并不需要很高电压,大约20V左右就可以了,带电导体与非带电导体之间的瞬间接触能产生高达几十千伏的瞬时冲击电压,足以将空气击穿而产生电弧。

如击穿10mm干燥空气间隙只需30kV电压,产生电弧后其维持电压只需20V。

如果电弧近旁有易燃易爆物质,就能引发火灾或爆炸事故。

3.2接地故障电压、电流沿N线在装置间传导

如图2所示,A、B为邻近的两生产装置,B装置配电室电源由A装置配电室某三极出线开关QF1用四芯电缆引出。

现B装置需停工检修,A装置继续生产,断路器QF1、QF2均断开,B装置实现全停电。

如若某接地故障,致使A装置配电系统中的N线、PE线带对地电位,其中PE线因其与B装置不相连而不产生影响,但N线的对地电位会通过四芯电缆的N线传导至B装置内的N线、PE线,使人们都认为已全停电的B装置暗中有了电压,这是很不安全的。

其后果不言而预,这里不再重复。

4防范措施

接地故障电气火灾的根本起因还是在于发生了接地故障,但要完全杜绝接地故障的发生几乎是不可能的。

只有在尽量减少发生接地故障的基础上,再在技术上采取合理有效的防范措施,进行综合治理,才能保证将危险降到最低程度。

（1）加强施工管理,提高工程监理水平。

防止材料、设备本身存在缺陷以及施工时对电线电缆的绝缘损坏,作好沟、管道的封堵工作,保证PE线、N线的连接质量,减少发生接地故障的几率;

（2）在装置内实施总等电位联结。

也就是将整个装置内所有金属导电部分做可靠电气连接,并与大地相连通。

在已经形成的人工接地网的基础上,将水暖、工艺管道与该接地网相连通,同时由装置内各建筑物基础主筋及塔、罐、平台等的基础主筋上引出焊接点与该接地网相连通,使装置内所有金属外露导电部分在任何时候都保持等电位。

消除了电位差,电弧、电火花就无从发生。

即使发生了接地故障,也满足防火要求;（3）在装置低压总电源进线处装设四极开关。

这样可实现完全的电气隔离,防止N线上的电压传导;（4）在各单元的总进线电源处装设防火用剩余电流动作保护器。

由于各单元总电源进线处原设的断

路器等过电流保护元件对接地故障这种电弧性短路的保护范围有限,因此鉴于石化厂的生产重要性和电气线路、设备较分散的特点,在各照明箱、动力箱的电源进线处设防火用剩余电流动作保护器（额定剩余动作电流在300～500mA之间）,故障时发出报警信号并延时切断电路,是简捷而行之有效的方法。

5结束语

石化行业是高火灾危险行业,一旦形成火灾,发生爆炸,其生命财产损失往往是非常巨大的,虽然在工程建设中采取上述防范措施会增加一定的工程费用,但却是非常必需的。

目前,在石化厂的配电接地系统中均未采取以上措施,这为发生接地故障电气火灾留下了隐患。

为保证石化厂安全生产,确保“安全促进生产,生产必须安全”的方针落到实处,笔者认为,对已建成和在建的装置,应由安全、机动两部门组织进行整改,重点做好等电位联结,在以后的工程建设中,应从施工图设计开始,做好接地故障电气火灾的防范工作。

谈保护接地和保护接零

前言 

保护接地和保护接零是在低压配电系统中为了防止间接接触触电，即为了防止人或动物与故障情况下变为带电的外田导电部分接触的触电而经常采用的两种保护方式。

随着各种低压电器及各种家用电器的日益增多和普及，为了达到安全用电的目的，保护接地和保护接零的正确使用尤为重要。

建筑工程供电使用的基本供电系统有三相三线制三相四线制等，但这些名词术语内涵不是十分严格。

国际电工委员会（IEC）对此作了统一规定，称为TT系统、TN系统、IT系统。

其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。

下面内容就是对各种供电系统做一个扼要的介绍。

TT系统TN-C、供电系统→TN系统→TN-S、IT系统TN-C-S

（一）工程供电的基本方式

根据IEC规定的各种保护方式、术语概念，低压配电系统按接地方式的不同分为三类，即TT、TN和IT系统，分述如下。

（1）TT方式供电系统TT方式是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统，也称TT系统。

第一个符号T表示电力系统中性点直接接地；第二个符号T表示负载设备外露不与带电体相接的金属导电部分与大地直接联接，而与系统如何接地无关。

在TT系统中负载的所有接地均称为保护接地，如图1-1所示。

这种供电系统的特点如下。

1）当电气设备的金属外壳带电（相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电）时，由于有接地保护，可以大大减少触电的危险性。

但是，低压断路器（自动开关）不一定能跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压，属于危险电压。

2）当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定能熔断，所以还需要漏电保护器作保护，困此TT系统难以推广。

3）TT系统接地装置耗用钢材多，而且难以回收、费工时、费料。

现在有的建筑单位是采用TT系统，施工单位借用其电源作临时用电时，应用一条专用保护线，以减少需接地装置钢材用量。

把新增加的专用保护线PE线和工作零线N分开，其特点是：

①共用接地线与工作零线没有电的联系；②正常运行时，工作零线可以有电流，而专用保护线没有电流；③TT系统适用于接地保护占很分散的地方。

（2）TN方式供电系统这种供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统，称作接零保护系统，用TN表示。

它的特点如下。

1）一旦设备出现外壳带电，接零保护系统能将漏电电流上升为短路电流，这个电流很大，是TT系统的5.3倍，实际上就是单相对地短路故障，熔断器的熔丝会熔断，低压断路器的脱扣器会立即动作而跳闸，使故障设备断电，比较安全。

2）TN系统节省材料、工时，在我国和其他许多国家广泛得到应用，可见比TT系统优点多。

TN方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零线分开而划分为TN-C和TN-S等两种。

（3）TN-C方式供电系统它是用工作零线兼作接零保护线，可以称作保护中性线，可用NPE表示

（4）TN-S方式供电系统它是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，称作TN-S供电系统，TN-S供电系统的特点如下。

1）系统正常运行时，专用保护线上不有电流，只是工作零线上有不平衡电流。

PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上，安全可靠。

2）工作零线只用作单相照明负载回路。

3）专用保护线PE不许断线，也不许进入漏电开关。

4）干线上使用漏电保护器，工作零线不得有重复接地，而PE线有重复接地，但是不经过漏电保护器，所以TN-S系统供电干线上也可以安装漏电保护器。

5）TN-S方式供电系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统。

在建筑工程工工前的“三通一平”（电通、水通、路通和地平——必须采用TN-S方式供电系统。

（5）TN-C-S方式供电系统在建筑施工临时供电中，如果前部分是TN-C方式供电，而施工规范规定施工现场必须采用TN-S方式供电系统，则可以在系统后部分现场总配电箱分出PE线，TN-C-S系统的特点如下。

1）工作零线N与专用保护线PE相联通，如图1-5ND这段线路不平衡电流比较大时，电气设备的接零保护受到零线电位的影响。

D点至后面PE线上没有电流，即该段导线上没有电压降，因此，TN-C-S系统可以降低电动机外壳对地的电压，然而又不能完全消除这个电压，这个电压的大小取决于ND线的负载不平衡的情况及ND这段线路的长度。

负载越不平衡，ND线又很长时，设备外壳对地电压偏移就越大。

所以要求负载不平衡电流不能太大，而且在PE线上应作重复接地。

2）PE线在任何情况下都不能进入漏电保护器，因为线路末端的漏电保护器动作会使前级漏电保护器跳闸造成大范围停电。

3）对PE线除了在总箱处必须和N线相接以外，其他各分箱处均不得把N线和PE线相联，PE线上不许安装开关和熔断器，也不得用大顾兼作PE线。

通过上述分析，TN-C-S供电系统是在TN-C系统上临时变通的作法。

当三相电力变压器工作接地情况良好、三相负载比较平衡时，TN-C-S系统在施工用电实践中效果还是可行的。

但是，在三相负载不平衡、建筑施工工地有专用的电力变压器时，必须采用TN-S方式供电系统。

（6）IT方式供电系统I表示电源侧没有工作接地，或经过高阻抗接地。

每二个字母T表示负载侧电气设备进行接地保护。

TT方式供电系统在供电距离不是很长时，供电的可靠性高、安全性好。

一般用于不允许停电的场所，或者是要求严格地连续供电的地方，例如电力炼钢、大医院的手术室、地下矿井等处。

地下矿井内供电条件比较差，电缆易受潮。

运用IT方式供电系统，即使电源中性点不接地，一旦设备漏电，单相对地漏电流仍小，不会破坏电源电压的平衡，所以比电源中性点接地的系统还安全。

但