1 故障現(xiàn)象
中鋁青海分公司3期煅燒4#回轉(zhuǎn)窯新建于2005年5月，其石油焦煅燒能力為12t/h；大窯拖動系統(tǒng)采用變頻器（西門子公司生產(chǎn)）調(diào)速控制，其正常生產(chǎn)時投料量一般控制在10~11.6t/h范圍內(nèi)，變頻器(110va)工作頻率設(shè)定在38~46hz范圍內(nèi)，大窯驅(qū)動電機為普通三相異步電機(型號為y315s-6、75kw)，負(fù)載電流在68~92a之間；停料降溫期間，大窯運行在超低速狀態(tài)（窯體轉(zhuǎn)速工作在2.5~2.9r/min范圍內(nèi)），變頻器工作頻率為5hz左右。2006年6月18日早8點停料降溫，因小窯實施檢修任務(wù)，大窯超低速運行1個多小時后停窯保溫。下午3點大窯拖動電機啟動過程中，操作室內(nèi)部分低壓用裝置（如應(yīng)急照明燈充電器、對講機充電器和顯示器等用電器）內(nèi)突然出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，操作人員立即終止大窯變頻裝置啟動操作后，其異常現(xiàn)象又立即消失。根據(jù)現(xiàn)場操作人員對異常現(xiàn)象描述，初步分析其原因可能是供電系統(tǒng)電壓突然升高所致。但供電系統(tǒng)各相電壓測得正常（相電壓均為220v），檢查操作臺和控制柜，其箱體內(nèi)有明顯的焦糊味，并發(fā)現(xiàn)多個指示燈燒壞、ups跳閘、plc和皮帶計量秤等電源模塊被燒。由于異常現(xiàn)象是在回轉(zhuǎn)窯大窯拖動變頻裝置啟動期間出現(xiàn)，檢查大窯控制變頻器未發(fā)現(xiàn)異常（面板顯示正常、電子器件無損壞等跡象）；檢查供電系統(tǒng)變壓器中性線（零線），未出現(xiàn)接觸不良等異常問題（有時供電變壓器總零線連接點接觸不良或過熱，均會引起中性線上零電位漂移現(xiàn)象）。隨后又重新啟動大窯變頻器時，上述異常現(xiàn)象又立即出現(xiàn)，因操作前采取了各種監(jiān)測措施，測得變頻器啟動后，供電系統(tǒng)單相電壓升至286v左右；變頻器制動（釋放電能）電阻自動投入工作（能聽到制動電阻工作聲音），測得制動電阻溫度為72℃（環(huán)溫19℃）；大窯變頻器啟動停止后，電網(wǎng)電壓又恢復(fù)正常（220v）。因變頻啟動過程中（啟動過程持續(xù)了4~6s），窯體無任何轉(zhuǎn)動跡象，故檢查電機，打開接線盒發(fā)現(xiàn)繞組變黑，機殼內(nèi)有濃烈的異味，測得電機三相繞組對地絕緣電阻分別為0、12mω和16mω。

2 故障分析
在實際工作中，因變頻器驅(qū)動電機絕緣損壞引起的供電系統(tǒng)電壓升高現(xiàn)象極為少見，也很難用電工學(xué)一般知識解釋。針對這次供電電網(wǎng)電壓升高異常現(xiàn)象，我們進(jìn)行了全面現(xiàn)場檢查、測量，測得電機接地保護(hù)線與供電電網(wǎng)中性線(零線)相通(電阻為0ω)，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)大窯電機接地保護(hù)線接在變頻器柜體上，其柜體又與供電系統(tǒng)零線相接（作為保護(hù)接零措施）。這種接地線和零線共接構(gòu)成了電氣設(shè)備的重復(fù)接地（又稱為環(huán)路式重復(fù)接地）。其作用是當(dāng)接地線斷開或接地體電阻較大時減輕觸電危險；同時當(dāng)設(shè)備帶電部分碰殼時，短路電流通過零線形成回路，能加速線路保護(hù)裝置的動作。經(jīng)分析其異常現(xiàn)象發(fā)生的機理如下：當(dāng)變頻裝置控制的電機一相繞組絕緣損壞（擊穿）后，若變頻器啟動時，其輸出的三相交流（低頻）電壓就會通過電機控制動力線、電機鐵心、接地線、供電系統(tǒng)中性線（零線）疊加到供電變壓器低壓側(cè)工頻（50hz）三相電源上。由于變頻器、供電變壓器通過接地線、零線等動力線路構(gòu)成較大電流通路，變頻器輸出的三相交流電壓頻率、初相位均不同于電網(wǎng)工頻電壓。則引起不同頻率電源電壓疊加現(xiàn)象，其疊加的程度與變頻器容量、工作頻率、初相位以及供電變壓器容量均有密切關(guān)系。變頻器容量越大，啟動時負(fù)載電流越大，則疊加后的電壓越高，其危害程度也越嚴(yán)重。變頻器、電網(wǎng)、零線和接地線構(gòu)成的電流回路如圖1所示。

圖1 變頻裝置與電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成的通路圖

根據(jù)電源疊加原理，在構(gòu)成電流通路的情況下，兩種交流電壓幅值、頻率和初相位均不同的電源會出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象，其兩個電源的電壓波形均會發(fā)生較大的變化[1]（電壓波形峰值、有效值均相應(yīng)地改變）。由于變頻器是將工頻三相交流電壓整流、濾波、逆變成不同頻率的三相交流電壓的裝置。其變頻器等同于一個獨立的電源，其輸出的電壓波形初相位、頻率與工頻供電電網(wǎng)不同；變頻器在啟動過程中，其逆變器輸出的電壓頻率是從0hz緩慢地增加的過程。因此當(dāng)4#回轉(zhuǎn)窯拖動電機單相繞組對地絕緣被擊穿后，造成供電變壓器繞組，變頻器電機（包括動力線、鐵芯）、接地線和電網(wǎng)零線等導(dǎo)體構(gòu)成電流通路。當(dāng)變頻器啟動時，就會引起變頻器輸出的0~50hz低頻交流電壓與供電系統(tǒng)50hz交流電壓相互疊加問題，導(dǎo)致供電電網(wǎng)三相電源電壓升高至286v，造成單相（220vac）用電器工作電壓過高，而發(fā)生過熱（冒煙）或燒毀故障；同時由于變頻器的輸入的交流電壓升高，其整流后的直流電壓必然也會升高，故變頻器直流過壓保護(hù)電路自動啟動工作（即投入制動電阻消耗電能）。5hz交流電壓波形（變頻器輸出的低頻）與50hz交流電壓波形（電網(wǎng)工頻）疊加，其原理如圖2所示。

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