變頻器輸出電纜短路異常分析

吳利民

摘 要：變頻器因其優(yōu)異的調(diào)速特性，在電站鍋爐的給粉機(jī)中有著廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)一次給粉變頻器輸出電纜短路的異常事件，對(duì)變頻器輸出電纜短路的故障現(xiàn)象及原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f（1-s）/p 從上式可見，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。 在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對(duì)數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。變頻器則是利用改變輸出頻率從而達(dá)到電機(jī)改變轉(zhuǎn)速的目的。

變頻器與常規(guī)電氣設(shè)備在結(jié)構(gòu)原理上有著顯著地區(qū)別，因此在發(fā)生短路故障時(shí)的現(xiàn)象及原理也有著自身的特點(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)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(diào)電壓，可調(diào)頻率的交流電。中間濾波環(huán)節(jié)是用電容器或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。 交直交變頻器按中間直流濾波環(huán)節(jié)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(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。三個(gè)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(shù)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?yōu)殡妷汉皖l率可變的交流電，以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速。逆變電路由開關(guān)器件構(gòu)成，大多采用橋式電路，常稱逆變橋。在SPWM變頻器中，開關(guān)器件接受控制電路中SPWM調(diào)制信號(hào)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(yùn)算電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等組成，一般均采用大規(guī)模集成電路。

3 故障實(shí)例

公司4號(hào)爐為中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，共有12臺(tái)給粉機(jī)向鍋爐供粉，根據(jù)鍋爐負(fù)荷大小，利用變頻器調(diào)節(jié)給粉機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兘o粉量。某次4號(hào)爐制粉系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，9米防爆門突然爆破，大量高溫風(fēng)粉混合物噴出，引燃了給粉機(jī)變頻輸出電纜。

4號(hào)爐制粉系統(tǒng)爆破故障發(fā)生后，4號(hào)爐12臺(tái)給粉機(jī)變頻器逐臺(tái)相繼跳閘，每臺(tái)跳閘時(shí)間間隔不等。當(dāng)時(shí)跳閘變頻器故障首出均為電源電壓異常，有的變頻器報(bào)電源A相電壓低，有的報(bào)電源B相電壓低。初步懷疑給粉變頻電源出現(xiàn)了問(wèn)題，迅速對(duì)電源進(jìn)行了排查，但經(jīng)測(cè)量給粉變頻電源三相電壓均正常，并且對(duì)給粉變頻進(jìn)行了雙電源切換，均正常未發(fā)現(xiàn)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(tái)變頻器后，重新上電，立刻又出現(xiàn)原先的電源故障告警跳閘。更換變頻器無(wú)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(xiàn)。接著測(cè)量變頻器輸出到給粉機(jī)電機(jī)之間的電纜絕緣，對(duì)地為0。

最終經(jīng)過(guò)就地進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)給粉變頻器輸出到給粉電機(jī)之間的電纜在磨煤機(jī)上方電纜橋架處被爆破的火星引燃，電纜絕緣燒壞引發(fā)了短路故障，由于給粉變頻器輸出電纜不斷短路，從而導(dǎo)致了給粉機(jī)相繼跳閘。

4 原因分析

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

至于變頻器輸出側(cè)電纜發(fā)生短路跳閘，而告警為電源異常的原因，和勵(lì)磁變低壓側(cè)發(fā)生接地，發(fā)電機(jī)會(huì)告警轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的機(jī)理是相同的。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，交直流側(cè)就連在一起了，那么勵(lì)磁變低壓側(cè)的接地點(diǎn)也就會(huì)成為直流側(cè)轉(zhuǎn)子回路的接地點(diǎn)，從而引發(fā)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地告警。變頻器的回路與勵(lì)磁系統(tǒng)相比，增加了逆變回路，但故障傳遞的機(jī)理是一致的，具體示意圖如下：

所以，變頻器雖然輸入輸出側(cè)是相對(duì)獨(dú)立的，但變頻器在50HZ交流變直流再逆變成交流的過(guò)程中，回路中的整流管及IGBT管是有序?qū)ǖ?，在?shí)現(xiàn)能量從電源側(cè)向負(fù)荷側(cè)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，負(fù)荷側(cè)的故障點(diǎn)也會(huì)傳遞為電源側(cè)的故障點(diǎn)，從而引發(fā)電源電壓異常或者變頻器檢測(cè)到電源故障，最終發(fā)出了電源異常的告警信號(hào)。

5 改進(jìn)措施

由于制粉系統(tǒng)防爆門離給粉機(jī)變頻器電纜過(guò)近，導(dǎo)致爆破噴出的高溫風(fēng)粉混合物將電纜上的積粉引燃，所以下一步需要及時(shí)清理鍋爐房?jī)?nèi)電纜積粉，并在防爆門與電纜間加裝隔離措施。

嚴(yán)格按照制粉系統(tǒng)爆破流程進(jìn)行故障處理。發(fā)現(xiàn)磨煤機(jī)出入口及其它部位有火星時(shí)，可加大給煤量降低出口溫度，同時(shí)壓住回粉管鎖氣器，必要時(shí)停止制粉系統(tǒng)進(jìn)行處理。制粉系統(tǒng)著火或已經(jīng)爆炸，應(yīng)緊急停止制粉系統(tǒng)，關(guān)閉粉倉(cāng)及絞龍吸潮管，保持一次風(fēng)壓穩(wěn)定，防止擴(kuò)大事故，打開蒸汽消防進(jìn)行滅火。滅火后，在班長(zhǎng)親自監(jiān)護(hù)下，小心地開啟磨煤機(jī)出入口人孔門，全面檢查各著火處火源是否消除，如磨煤機(jī)內(nèi)煤粉著火未消除，則由磨煤機(jī)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(zhǔn)備足夠數(shù)量的滅火器，周圍5米內(nèi)不準(zhǔn)有人停留，然后通知司爐將磨煤機(jī)啟動(dòng)空轉(zhuǎn)1—2分鐘，再次檢查內(nèi)部，確認(rèn)無(wú)火后方可關(guān)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(duì)系統(tǒng)緩慢地進(jìn)行通風(fēng)暖管，確定全部正常后才能重新啟動(dòng)。若防爆門爆破，使鐵皮等物進(jìn)入排粉機(jī)，使葉片沖擊或劇烈振動(dòng)，應(yīng)立即停止排粉機(jī)。如果短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)時(shí)，可根據(jù)粉位情況進(jìn)行送粉或向鄰爐轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷。 此次事件在處理過(guò)程中，最大的問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間對(duì)無(wú)故障的區(qū)域進(jìn)行排查和處理，導(dǎo)致真正的故障點(diǎn)不斷惡化。所以今后在處理異常過(guò)程中，除了依據(jù)告警首出外，還應(yīng)擴(kuò)大其它范圍的查找判斷，特別是電氣系統(tǒng)事故，大多都在事故發(fā)生的瞬間，受到?jīng)_擊的設(shè)備會(huì)同時(shí)出現(xiàn)跳閘。如果出現(xiàn)事故后某些設(shè)備相繼不斷跳閘，此時(shí)可重點(diǎn)懷疑是否發(fā)生了火災(zāi)或者水淹設(shè)備區(qū)等慢性惡化事故，應(yīng)當(dāng)迅速對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行全面排查。endprint