1 故障现象
中铝青海分公司3期煅烧4#回转窑新建于2005年5月，其石油焦煅烧能力为12t/h；大窑拖动系统采用变频器（西门子公司生产）调速控制，其正常生产时投料量一般控制在10~11.6t/h范围内，变频器(110va)工作频率设定在38~46hz范围内，大窑驱动电机为普通三相异步电机(型号为y315s-6、75kw)，负载电流在68~92a之间；停料降温期间，大窑运行在超低速状态（窑体转速工作在2.5~2.9r/min范围内），变频器工作频率为5hz左右。2006年6月18日早8点停料降温，因小窑实施检修任务，大窑超低速运行1个多小时后停窑保温。下午3点大窑拖动电机启动过程中，操作室内部分低压用装置（如应急照明灯充电器、对讲机充电器和显示器等用电器）内突然出现冒烟现象，操作人员立即终止大窑变频装置启动操作后，其异常现象又立即消失。根据现场操作人员对异常现象描述，初步分析其原因可能是供电系统电压突然升高所致。但供电系统各相电压测得正常（相电压均为220v），检查操作台和控制柜，其箱体内有明显的焦糊味，并发现多个指示灯烧坏、ups跳闸、plc和皮带计量秤等电源模块被烧。由于异常现象是在回转窑大窑拖动变频装置启动期间出现，检查大窑控制变频器未发现异常（面板显示正常、电子器件无损坏等迹象）；检查供电系统变压器中性线（零线），未出现接触不良等异常问题（有时供电变压器总零线连接点接触不良或过热，均会引起中性线上零电位漂移现象）。随后又重新启动大窑变频器时，上述异常现象又立即出现，因操作前采取了各种监测措施，测得变频器启动后，供电系统单相电压升至286v左右；变频器制动（释放电能）电阻自动投入工作（能听到制动电阻工作声音），测得制动电阻温度为72℃（环温19℃）；大窑变频器启动停止后，电网电压又恢复正常（220v）。因变频启动过程中（启动过程持续了4~6s），窑体无任何转动迹象，故检查电机，打开接线盒发现绕组变黑，机壳内有浓烈的异味，测得电机三相绕组对地绝缘电阻分别为0、12mω和16mω。
2 故障分析
在实际工作中，因变频器驱动电机绝缘损坏引起的供电系统电压升高现象极为少见，也很难用电工学一般知识解释。针对这次供电电网电压升高异常现象，我们进行了全面现场检查、测量，测得电机接地保护线与供电电网中性线(零线)相通(电阻为0ω)，进一步排查发现大窑电机接地保护线接在变频器柜体上，其柜体又与供电系统零线相接（作为保护接零措施）。这种接地线和零线共接构成了电气设备的重复接地（又称为环路式重复接地）。其作用是当接地线断开或接地体电阻较大时减轻触电危险；同时当设备带电部分碰壳时，短路电流通过零线形成回路，能加速线路保护装置的动作。经分析其异常现象发生的机理如下：当变频装置控制的电机一相绕组绝缘损坏（击穿）后，若变频器启动时，其输出的三相交流（低频）电压就会通过电机控制动力线、电机铁心、接地线、供电系统中性线（零线）叠加到供电变压器低压侧工频（50hz）三相电源上。由于变频器、供电变压器通过接地线、零线等动力线路构成较大电流通路，变频器输出的三相交流电压频率、初相位均不同于电网工频电压。则引起不同频率电源电压叠加现象，其叠加的程度与变频器容量、工作频率、初相位以及供电变压器容量均有密切关系。变频器容量越大，启动时负载电流越大，则叠加后的电压越高，其危害程度也越严重。变频器、电网、零线和接地线构成的电流回路如图1所示。
图1 变频装置与电网系统构成的通路图
根据电源叠加原理，在构成电流通路的情况下，两种交流电压幅值、频率和初相位均不同的电源会出现相互叠加现象，其两个电源的电压波形均会发生较大的变化[1]（电压波形峰值、有效值均相应地改变）。由于变频器是将工频三相交流电压整流、滤波、逆变成不同频率的三相交流电压的装置。其变频器等同于一个独立的电源，其输出的电压波形初相位、频率与工频供电电网不同；变频器在启动过程中，其逆变器输出的电压频率是从0hz缓慢地增加的过程。因此当4#回转窑拖动电机单相绕组对地绝缘被击穿后，造成供电变压器绕组，变频器电机（包括动力线、铁芯）、接地线和电网零线等导体构成电流通路。当变频器启动时，就会引起变频器输出的0~50hz低频交流电压与供电系统50hz交流电压相互叠加问题，导致供电电网三相电源电压升高至286v，造成单相（220vac）用电器工作电压过高，而发生过热（冒烟）或烧毁故障；同时由于变频器的输入的交流电压升高，其整流后的直流电压必然也会升高，故变频器直流过压保护电路自动启动工作（即投入制动电阻消耗电能）。5hz交流电压波形（变频器输出的低频）与50hz交流电压波形（电网工频）叠加，其原理如图2所示。
(a)变频器输出的b’相相电压波形(220v5hz)(b)供电电源a相相电压波形(220v50hz)(c)a、b叠加后的供电电网a相电压波形
图2 变频器输出的b’相电压与供电电网a相电压波形叠加原理
图2a）为变频器输出的b’相交流电压波形，其波形峰值为e1（测得有效值约为220v）、频率为5hz（也可选其它不同频率的波形进行叠加，其结果相同）；图2b）为供电系统a相工频交流电压波形，其波形峰值为e2、频率为50hz；图2c）为变频器输出的b’相（5hz）波形叠加在供电电网a相上的波形。叠加后的波形峰值由叠加前的e1增大至e1+e2，其相应的电压有效值也必然升高了；供电系统b、c相电压波形与之相互叠加后的波形结果与a相相同，只是其叠加后的波形峰值的初相位有所不同，但有效值均相等[1]。
3 故障处理
我厂4#回转窑拖动电机为普通三相异步电动机，由于变频器较长时间运行在5hz 的超低频状态，其电机冷却风扇低速运行，电机冷却风量大幅度地减少，导致电机严重过热，使电机定子绕组绝缘被烧坏。更换电机后，多次启动大窑控制变频器，均再未出现电网电压升高现象。
为防止类似故障导致供电系统电压异常再次发生，我们采取了断开4#回转窑机体（包括电机接地线）的保护接零线，如图3所示。使供电系统变压器中性线n（零线）和窑机体接地线相互独立（实际通过大地仍然相通，但其电阻较大），而且将二者接地分别独立设置接地装置，这样设备的接地线和供电系统零线之间不会构成较大电流通路。则可避免因变频装置输出接地后引起电网系统电压升高的现象发生。在实际中，当变频装置一相接地后，其接地电流经过接地线、大地、供电系统中性线构成回路，其叠加后的电压降（增加的部分）则会由大地全部或部分地承担，而供电系统、变频装置等电能设备的电压不会出现显著升高现象。为证明本次处理结果的可靠性，我们进行了故障模拟试验，通过变频器一相人为接地，启动变频装置，测得供电系统三相电源在变频器启动过程中对地电压无变化，变频器制动电阻也未出现自动投入工作现象。
图3 设备保护接地、供电系统中性线接地独立设置的原理图
4 结束语
随着科学技术的迅速发展，变频器、中频路、ups电源等有逆变功能的电源广泛应用于工业生产领域，其工作异常会对其它设备有不同程度的影响。因此，在实际设备安装、维修和使用中，要更加注重不同设备之间的影响问题，只有全面了解相互之间的作用，采取必要的预防措施，才能确保所有设备的安全、可靠地运行。
作者简介
韩 敏（1967-） 男 高级工程师，先后在电解和炭素行业从事多年设备维修和技术管理工作，现从事设备状态检测和技改工作。
参考文献
[1] 周文俊. 电气设备使用手册[m]. 北京:中国水利水电出版社,1998.
[2] 周鸿昌. 工厂供电[m]. 北京:中国建筑工业出版社,1979.
作 者：中国铝业青海分公司 韩 敏
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