矿用变频器漏电保护研究

任　哲

（同煤集团云冈矿， 山西　大同　037017）

引言

过流保护、漏电保护以及接地保护是确保煤矿井下安全供电的三大保护系统，依据《煤矿安全规程》，必须给矿井采区变电所、移动变电站以及配电点连接的相关馈电点装设短路、过载以及漏电等保护装置。

由于变频器具有很多优点，如功率因数高、可平稳启动、冲击电网小、转矩大以及具有较宽的调度范围等，因此煤矿综采设备以及综掘设备中都广泛应用了变频器。而矿井生产环境恶劣，井下阴暗潮湿且存在大量的瓦斯爆炸气体，以致变频器在使用过程中，其输出端至控制电动机间时常发生漏电现象，而矿井供电系统一旦发生漏电，一方面可能引发人身触电事故以及瓦斯煤尘爆炸事故等。另一方面若矿井供电系统长期存在大量漏电电流，易加速电气设备绝缘恶化，引发相间短路现象以及电气火灾现象等，因此，为保障矿井供电安全，必须研究矿用变频器漏电保护，采取相关漏电保护措施，第一时间切除漏电故障。

1　变频器工作原理

用电压型变频器作矿用变频器较多，图1所示为该类变频器的工作原理图。把频率固定的三相交流电输入于变频器的R、S、T端，经全波整流电路可把交流电转换为直流电，再由电容器来给直流电滤波，当直流电压较高（即波峰）时，可用电容器来把部分电场能储存起来，当直流电压较低（即波谷）时，所装设的电容器会依据实际情况，主动释放部分电场能来对系统电压进行补充，以确保直流电压始终为平稳状态，该直流电再经逆变电路转换为交流电，最终所得的交流电频率与电压可随意调节，再从U、V、W端输出该交流电，用该交流电来给三相异步电动机提供电源[1]。

当前，PWM技术是很多矿用变频器电路主要采用的技术。在实际生产中，人们应用等腰三角波或锯齿波来充当PWM波载波的较多，在这两种波中，应用最多的为等腰三角波。图2所示为PWM变频电路的调制输出波形。当载波频率处于过低状态时，会降低电动机实际有效转矩，易造成电动机实际损耗增大，且电动机会升温；当载波频率持续于较高状态时，该变频器输出的电流波形正弦性会比较好，一方面会很平滑，另一方面谐波与干扰都会变小。但随着载波频率的逐步升高，变频器产生的自身损耗也逐步增大，同时还伴随有较大温升，降低电动机的绝缘性能。

图1　变频器工作原理图

图2　PWM控制方式输出波形图

2　变频器漏电流的产生原因

当前很多矿用变频器输出侧主要应用IGBT功率开关部件，该部件具有一典型上升时间，该时间为100 ns左右，因此就图2所示的PWM电压信号来看，其dU/dt约为5 400 V/μs，而就中高压变频器而言，该类变频器的dU/dt可达20 000 V/μs，变频器产生的这些高频成分在寄生电容与公共阻抗的作用下会逐步转换为漏电流[2]。这些漏电流的传播途径主要有下列三种：

1）电力电子器件与散热器间的寄生电容发生耦合现象。

2）电动机绕组与定子机壳间分布电容发生耦合。

3）若变频器装设的输出电缆较长，电缆与地间的分布电容发生耦合。

就电压源型低压变频器而言，在PWM控制下两电平电压源型变频器，输出端U、V、W输出的电压虽然存在120°左右的相位差，但这三者之和也不为0，也就是存在的零序电压已较高。这样电动机绕组与机壳间存在寄生电容，易形成漏电流[3]。此外变频器连接电动机的电缆上也会有部分分布电容，该分布电容会随连接电缆的增长而增大，同时随分布电容的增大，其产生的漏电电流也会增大。如图3所示为变频器漏电电流在实际生产中传出的主要途径。

图3　变频器漏电流传出途径示意图

3　井下漏电保护功能

为使漏电保护的具体作用得到充分发挥，煤矿井下低压检漏继电器应具有下述几点功能：

1）应具备漏电跳闸以及漏电闭锁功能，并借助千欧表对电网绝缘状态进行持续监管[4]。

2）当电网与地之间的总绝缘电阻达到下表1各值时，检漏继电器应立即动作，第一时间把设备供电电源切断。

3）当电网与地之间的总绝缘电阻降至表2各值时，应把设备电源开关进行闭锁，严禁合闸送电，谨防事故进一步扩大。

4）为有效防止发生人身触电事故，检漏继电器的保护动作应尽量快。

电网电压越高，相应的人身触电电流值也会越大。为使人身安全得到更好的保障，应让捡漏继电器的动作速度加快，尽力缩短人身触电时间。

表1　漏电动作电阻整定值

表2　漏电闭锁电阻整定值

4　矿用变频器漏电保护装置的选择

变频器输出侧漏电流会随着输出电压的增大而增大，同时输出侧对地绝缘电阻大小、寄生电容大小以及输出电压载波频率大小等都会影响变频器输出侧漏电流大小。在绝缘电阻值不发生变化的情况下，随对地电容数值的增大，漏电流也会明显增多，漏电危险便会更大。此外，变频器产生的高频谐波分量在寄生电容的影响下，也易产生较大的漏电流，该电流远远大于人身触电电流的安全值，存在较大的安全隐患[5]。

由于随载波频率的增大，变频器对地电容也会不断增大，会产生更大的漏电流，更易发生人身触电危险。因此在煤矿井下利用变频器进行生产作业时，必须有相应的漏电保护装置进行必要的保护作业。特别是变频器处于高频输出状态时，常会通过电缆对地电容产生漏电流，易使系统装设的漏电保护装置发生误动作，至使变频器不能正常工作，因此我们必须重视，科学、合理的选用漏电保护装置，所选装置必须适用于矿用变频器，应具备漏电闭锁功能与漏电跳闸功能[6]。在没有启动矿用变频器前，应先把漏电闭锁检查工作做好。若检测中发现变频器输出端对地绝缘电阻达到表2数值甚至比表2数值低时，应及时闭锁变频器，安排维修人员对变频器进行必要的维修检查。在变频器日常作业中，其所配备的保护装置还应具有完备的漏电跳闸保护功能，在实际生产中，可借助动态补偿法来补偿该漏电保护装置，让电容电流始终为完全补偿状，使漏电电流变小，更好地保障人身安全。

5　结语

矿用变频器漏电现象具有一定的高危性，通过分析变频器的工作原理、漏电流的产生原因与影响因素，可知变频器输出侧漏电流主要受输出电压、输出侧对地绝缘电阻、寄生电容以及输出电压载波频率等因素的影响，且随着它们的增大，变频器漏电电流值也会增大。在生产中，必须为矿用变频器配置漏电保护装置，且配置的漏电保护装置功能应符合矿用变频器漏电保护需求。只有这样才能有效减少矿用变频器漏电事故，更好地保障矿井安全生产。

[1]陈坤，夏明.变频器前端漏电保护开关的研究和应用[J].自动化技术与应用，2013（1）：88-91.

[2]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:中国法制出版社，2016.

[3]胡宏秋.变频系统漏电分析与研究[J].电气传动，2013（8）：13-15

[4]姜保军，孙力，孙亚秀，等.电机驱动系统传导EMI的抑制方法[J].电气传动，2006（5）：9-12.

[5]张艳伟，李峰.矿用高压四电平变频器的研究及应用[J].煤矿机电，2015（4）：80-81.

[6]姜艳朱.现代变频调速系统负面效应研究及其对策[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学，2007.