IT供电变频系统单相接地过电压分析与止损对策

伍勇

（湘潭钢铁有限公司，湖南 湘潭 411101）

目前工业现场的变频传动系统，一般采用集中整流公共直流母线供电形式。整流变压器二次侧采用中性点不接地形式，即所谓的IT供电系统。该类型的供电形式，在负载端发生接地时，会产生较高的过电压，该过电压叠加到整个传动系统的主回路，将击穿某个耐压薄弱环节点，导致严重故障发生。此类故障在各现场有一定的发生频次，基于该类故障具有一定的典型性和代表性，本文将引用现场实际案例，具体阐述过电压产生的原因和过程，并提出相应防止危害的对策，为现场电气技术人员提供借鉴。

1 案例故障现象描述

某钢厂连续轧钢生产线的电气传动供电为IT系统，采用变频传动交流电源。整流部分采用可控硅集中整流，通过公共直流母线带多组逆变器输出到电机负载。其原理示意图如图1所示。

图1 集中整流变频传动系统示意图

在某次启动运行过程中，合闸整流单元情况正常，一旦当逆变器启动输出，就有某些组逆变器分别报警“电流不平衡”跳闸，传动柜的整流单元交流进线断路器MCB也跳闸，整流单元报警“交流进线电压低”，检查确认整流单元内过电压吸收装置的U相和接地端的压敏电阻R1、R4击穿，其与主回路连接的U相熔断器F01烧断、主整流桥正组的F11、F13两组快熔及V11可控硅明显击穿损坏。在没找到其他具体原因的情况下，更换损坏元件，再试车仍然发生多次烧损整流单元内过电压吸收装置的压敏电阻及熔断器并跳闸。最终查明此次故障的根本原因是直流母线所带的某一组逆变器输出电缆接地短路导致了过电压。击穿损坏了整个供电主回路的耐压薄弱环节。变频系统逆变器输出侧接地为什么会引起交流进线侧过电压呢？下面根据该类传动控制系统主回路拓扑结构示意图，分析在逆变器输出侧正常接地情况下，在不同的电压状态时整流单元交流进线侧产生过电压的过程和原因。

2 正常状态下的电压状态分析

IT供电系统的三相进线对地电压VLINE－PE是通过变压器绕组和主供电母线的对地电容连接的。正常状态下，IT系统的相对地电位情况与中性点直接接地的TN和TT系统的状况很相似。在进线可控整流及不可控整流的整流器中，直流母线＋DC和－DC电压跟随进线电压的正峰值和负峰值，因此直流电压VDC相对于地PE是对称的，直流母线正极＋DC对地电位为VDC／2，负极－DC对地电位为－VDC／2。逆变器每相的输出通过IGBT的交替开关，与直流母线＋DC和－DC连接，因此，每相交替承受VDC／2和－VDC／2电位。由于较长输出电缆的反射作用及暂态过程等因素影响，在电机端相对地电压VMOTOR－PE会达到一个比逆变器输出的相对地电压VINV－PE更高的电压值，严重时会达到两倍 VINV－PE，即 VMOTOR－PE＝2·VINV－PE＝VDC。正常情况下的电压状态如图2所示。

图2 正常情况下的电压状态图

3 单相接地下的电压状态分析

逆变器输出侧单相接地的情况下，由于IGBT的开关交替将接地点PE连接到直流母线＋DC和－DC，结果就是直流母线＋DC和－DC交替地接地，不接地的那一极直流母线对地电位会高于或低于VDC，不接地的逆变器输出的另外两相也通过IGBT的开关交替地连接到＋－DC直流母线上，因此也交替地承受电位在＋VDC到－VDC之间变化，由于较长的电缆反射及暂态过程、电机电抗器的安装等因素影响，在电机端相对地的电压VMOTOR－PE会达到一个比逆变器输出相对地电压VINV－PE更高的电压值，最严重的情况会达到两倍VINV－PE，即VMOTOR－PE＝2·VINV－PE＝2·VDC。

在这个过程中，由于IGBT的开关变换，相对地交替在＋DC和－DC之间变换电位，不仅是在逆变器和电机上增加电压负荷，也会冲击进线侧交流电压。这是因为在IT系统中，接地仅是通过电容，由于IGBT在＋DC和－DC之间交替变换电位的过程也会叠加到进线侧交流电压上，会导致进线侧相对地电压VLINE－PE会有一个非常大的提升，即产生进线交流侧过电压。

对比正常运行状态，当接地发生时，进线侧增加的相对地电压会造成电压正弦波畸变，逆变部分的直流母线所承受的相对地电压负荷会达到两倍的额定值，电机绕组承受的相对地电压负荷也是两倍的额定值。接地情况下的电压状态图如图3所示。

图3 接地情况的电压状态图

4 过电压的危害评价分析

当接地导致过电压产生时，过电压以等于2倍的正常电压负荷值施加到变频传动主回路的各个器件及电机绕组上，短时间（一般指24小时内）在系统有一定耐受的情况下，可能不会对系统有严重的影响。但如此高的过电压来回冲击变频器、电缆、电机绕组，轻则影响变频器本身的功率元件、电机绕组、电缆的使用寿命，重则击穿回路耐压薄弱点，造成更严重的短路事故。以上第1节的案例现象就具有明显的代表性。在其他某些IT供电系统的现场，均发生过由于逆变器输出侧单相接地短路而造成整流单元的可控硅击穿短路烧快熔的事故案例。归纳总结均是由于变频传动系统输出的单相接地而导致主回路产生过电压，进而造成一系列严重的故障。

5 过电压危害防止措施探讨

5.1 基本思路

鉴于IT供电系统发生单相接地时产生的过电压会对系统产生较为严重的危害，故采取有效的防止措施尤为必要。可设计安装一种合适的在线绝缘监控装置来监测供电系统对地的绝缘电阻值，一旦某相发生接地，装置动作发出报警。根据现场需要将报警信号送给上级控制系统或传动本身，提醒维护人员及时排除接地点，尽快避免接地引起的过电压。

5.2 在线绝缘监控装置选型时应考虑的因素

目前国内外在线绝缘监控装置产品较多，基本是采用等幅对称方波充电测量法实时监测电网回路的对地绝缘电阻。在实际监测过程中，电网泄漏电容大小对监测至关重要。某些绝缘监控装置不具备对电网泄漏电容自适应功能，一般通过手动设置，其缺点是被测电网系统电容一旦大于手动设定值，装置将监测认为系统有接地，而无法正常地监测对地的绝缘电阻值。而被监测的电网泄漏电容通常是未知的，因此，选择具备电网泄漏电容自适应功能的绝缘监控装置具有明显的优势。

IT系统供电的变频传动系统，从电压等级分为低压、中压、高压等系列。在设计绝缘监控装置时，必须依据电压等级选择。对于电压低于1000V以下，只需要安装绝缘监控装置本身就可满足监测要求。对于高压1000V以上的电压等级的电网回路，必须选择加装耦合器与绝缘监控装置一起进行监测，目前耦合器的扩展电压耐受，国内对于变频传动的电网，最高电压只有1800V的产品，常规电网最高做到了7200V，国外某知名厂家的耦合器在变频和常规电网均做到了15000V，可以根据实际情况，灵活选择。

6 结论

IT供电变频系统，在各工业现场均有大规模的应用，而复杂的现场环境，会导致电气回路的绝缘降低，产生接地现象。本文引用现场实际案例现象，详细分析了IT供电变频传动系统在接地情况下的过电压产生过程及状态，对过电压产生的危害进行了一定的阐述，为防止过电压的危害，提出了在线绝缘监控报警提醒措施，给出了在线绝缘监控装置的选择方法，为IT供电变频系统防止接地过电压危害提供了新思路。