礦用變頻器漏電保護研究

任　哲

（同煤集團云岡礦， 山西　大同　037017）

引言

過流保護、漏電保護以及接地保護是確保煤礦井下安全供電的三大保護系統，依據《煤礦安全規程》，必須給礦井采區變電所、移動變電站以及配電點連接的相關饋電點裝設短路、過載以及漏電等保護裝置。

由于變頻器具有很多優點，如功率因數高、可平穩啟動、沖擊電網小、轉矩大以及具有較寬的調度范圍等，因此煤礦綜采設備以及綜掘設備中都廣泛應用了變頻器。而礦井生產環境惡劣，井下陰暗潮濕且存在大量的瓦斯爆炸氣體，以致變頻器在使用過程中，其輸出端至控制電動機間時常發生漏電現象，而礦井供電系統一旦發生漏電，一方面可能引發人身觸電事故以及瓦斯煤塵爆炸事故等。另一方面若礦井供電系統長期存在大量漏電電流，易加速電氣設備絕緣惡化，引發相間短路現象以及電氣火災現象等，因此，為保障礦井供電安全，必須研究礦用變頻器漏電保護，采取相關漏電保護措施，第一時間切除漏電故障。

1　變頻器工作原理

用電壓型變頻器作礦用變頻器較多，圖1所示為該類變頻器的工作原理圖。把頻率固定的三相交流電輸入于變頻器的R、S、T端，經全波整流電路可把交流電轉換為直流電，再由電容器來給直流電濾波，當直流電壓較高（即波峰）時，可用電容器來把部分電場能儲存起來，當直流電壓較低（即波谷）時，所裝設的電容器會依據實際情況，主動釋放部分電場能來對系統電壓進行補充，以確保直流電壓始終為平穩狀態，該直流電再經逆變電路轉換為交流電，最終所得的交流電頻率與電壓可隨意調節，再從U、V、W端輸出該交流電，用該交流電來給三相異步電動機提供電源[1]。

當前，PWM技術是很多礦用變頻器電路主要采用的技術。在實際生產中，人們應用等腰三角波或鋸齒波來充當PWM波載波的較多，在這兩種波中，應用最多的為等腰三角波。圖2所示為PWM變頻電路的調制輸出波形。當載波頻率處于過低狀態時，會降低電動機實際有效轉矩，易造成電動機實際損耗增大，且電動機會升溫；當載波頻率持續于較高狀態時，該變頻器輸出的電流波形正弦性會比較好，一方面會很平滑，另一方面諧波與干擾都會變小。但隨著載波頻率的逐步升高，變頻器產生的自身損耗也逐步增大，同時還伴隨有較大溫升，降低電動機的絕緣性能。

圖1　變頻器工作原理圖

圖2　PWM控制方式輸出波形圖

2　變頻器漏電流的產生原因

當前很多礦用變頻器輸出側主要應用IGBT功率開關部件，該部件具有一典型上升時間，該時間為100 ns左右，因此就圖2所示的PWM電壓信號來看，其dU/dt約為5 400 V/μs，而就中高壓變頻器而言，該類變頻器的dU/dt可達20 000 V/μs，變頻器產生的這些高頻成分在寄生電容與公共阻抗的作用下會逐步轉換為漏電流[2]。這些漏電流的傳播途徑主要有下列三種：

1）電力電子器件與散熱器間的寄生電容發生耦合現象。

2）電動機繞組與定子機殼間分布電容發生耦合。

3）若變頻器裝設的輸出電纜較長，電纜與地間的分布電容發生耦合。

就電壓源型低壓變頻器而言，在PWM控制下兩電平電壓源型變頻器，輸出端U、V、W輸出的電壓雖然存在120°左右的相位差，但這三者之和也不為0，也就是存在的零序電壓已較高。這樣電動機繞組與機殼間存在寄生電容，易形成漏電流[3]。此外變頻器連接電動機的電纜上也會有部分分布電容，該分布電容會隨連接電纜的增長而增大，同時隨分布電容的增大，其產生的漏電電流也會增大。如圖3所示為變頻器漏電電流在實際生產中傳出的主要途徑。

圖3　變頻器漏電流傳出途徑示意圖

3　井下漏電保護功能

為使漏電保護的具體作用得到充分發揮，煤礦井下低壓檢漏繼電器應具有下述幾點功能：

1）應具備漏電跳閘以及漏電閉鎖功能，并借助千歐表對電網絕緣狀態進行持續監管[4]。

2）當電網與地之間的總絕緣電阻達到下表1各值時，檢漏繼電器應立即動作，第一時間把設備供電電源切斷。

3）當電網與地之間的總絕緣電阻降至表2各值時，應把設備電源開關進行閉鎖，嚴禁合閘送電，謹防事故進一步擴大。

4）為有效防止發生人身觸電事故，檢漏繼電器的保護動作應盡量快。

電網電壓越高，相應的人身觸電電流值也會越大。為使人身安全得到更好的保障，應讓撿漏繼電器的動作速度加快，盡力縮短人身觸電時間。

表1　漏電動作電阻整定值

表2　漏電閉鎖電阻整定值

4　礦用變頻器漏電保護裝置的選擇

變頻器輸出側漏電流會隨著輸出電壓的增大而增大，同時輸出側對地絕緣電阻大小、寄生電容大小以及輸出電壓載波頻率大小等都會影響變頻器輸出側漏電流大小。在絕緣電阻值不發生變化的情況下，隨對地電容數值的增大，漏電流也會明顯增多，漏電危險便會更大。此外，變頻器產生的高頻諧波分量在寄生電容的影響下，也易產生較大的漏電流，該電流遠遠大于人身觸電電流的安全值，存在較大的安全隱患[5]。

由于隨載波頻率的增大，變頻器對地電容也會不斷增大，會產生更大的漏電流，更易發生人身觸電危險。因此在煤礦井下利用變頻器進行生產作業時，必須有相應的漏電保護裝置進行必要的保護作業。特別是變頻器處于高頻輸出狀態時，常會通過電纜對地電容產生漏電流，易使系統裝設的漏電保護裝置發生誤動作，至使變頻器不能正常工作，因此我們必須重視，科學、合理的選用漏電保護裝置，所選裝置必須適用于礦用變頻器，應具備漏電閉鎖功能與漏電跳閘功能[6]。在沒有啟動礦用變頻器前，應先把漏電閉鎖檢查工作做好。若檢測中發現變頻器輸出端對地絕緣電阻達到表2數值甚至比表2數值低時，應及時閉鎖變頻器，安排維修人員對變頻器進行必要的維修檢查。在變頻器日常作業中，其所配備的保護裝置還應具有完備的漏電跳閘保護功能，在實際生產中，可借助動態補償法來補償該漏電保護裝置，讓電容電流始終為完全補償狀，使漏電電流變小，更好地保障人身安全。

5　結語

礦用變頻器漏電現象具有一定的高危性，通過分析變頻器的工作原理、漏電流的產生原因與影響因素，可知變頻器輸出側漏電流主要受輸出電壓、輸出側對地絕緣電阻、寄生電容以及輸出電壓載波頻率等因素的影響，且隨著它們的增大，變頻器漏電電流值也會增大。在生產中，必須為礦用變頻器配置漏電保護裝置，且配置的漏電保護裝置功能應符合礦用變頻器漏電保護需求。只有這樣才能有效減少礦用變頻器漏電事故，更好地保障礦井安全生產。

[1]陳坤，夏明.變頻器前端漏電保護開關的研究和應用[J].自動化技術與應用，2013（1）：88-91.

[2]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京:中國法制出版社，2016.

[3]胡宏秋.變頻系統漏電分析與研究[J].電氣傳動，2013（8）：13-15

[4]姜保軍，孫力，孫亞秀，等.電機驅動系統傳導EMI的抑制方法[J].電氣傳動，2006（5）：9-12.

[5]張艷偉，李峰.礦用高壓四電平變頻器的研究及應用[J].煤礦機電，2015（4）：80-81.

[6]姜艷朱.現代變頻調速系統負面效應研究及其對策[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學，2007.