矿用变频器中的漏电保护技术分析

廖喜

摘要：近年来，我国对矿产资源的需求不断增加，矿山开采也越来越先进。矿用变频器依靠其节能高效的调速优点在电机运行中发挥着重要的作用，一旦发生故障会对整个控制系统产生不良影响。本文首先分析变频器工作原理，其次探讨高压变频器的防爆设计，最后就煤矿对漏电保护的措施进行研究，以便对其展开进一步故障诊断。

关键词：变频器；漏电流；零序电流保护

引言

随着科技的不断进步和煤矿井下设备的升级，高压电动机在煤矿井下应用越来越广泛。3300V、6kV、10kV的高压电动机的使用提高了煤矿的生产效率，同时也带来了许多影响，例如，高压电动机起动时的电网冲击、高压电动机使用寿命短的问题。因此，高压变频器应运而生，其能实现高压电动机在各种负载情况下的平滑起动、调速、停车等功能，一定程度上消除了机械及电气冲击，延长了高压电动机的使用寿命。

1变频器工作原理

变频器是由计算机控制，将电压和频率固定的交流电转换为频率和电压均可调的交流电的电力电子装置。根据工作原理可分为交—交变频器和交—直—交变频器。交—直—交变频器由整流电路、储能电路、逆变电路三部分组成，其作用是实现高电压、大电流的转换，称为变频器的功率电路。整流电路可由二极管构成单相或三相不可控桥式电路，也可由晶闸管构成可控桥式整流电路，其作用是将交流电转换为直流电。储能电路由电容C1、C2构成，（R1、R2为均压电阻），具有储能和平稳直流电压的作用。为了防止刚接通电源时对电容器充电电流过大，串入限流电阻R，当充电电压上升到正常值后，并联开关S闭合，将R短接。逆变电路由六只绝缘栅双极晶体管(IGBT)V1-V6和六只续流二极管VD1～VD6构成三相逆变桥式电路。晶体管工作在开关状态，按一定规律导通，将直流电逆变成三相正弦脉宽调制波SPWM驱动电动机工作。在直流逆变为交流时采用正弦脉宽调制，原理为把正弦波的一个周期分成N个等份，即把正弦波看出是由N个宽度相等幅值不等的波形彼此相连，用一个与正弦波中每一等份面积相等的幅度相等宽度不等的矩形波来替代此等份正弦波，并且两个波形的中点必须重合，这样的一系列等幅不等宽的矩形波就是正弦波等效的脉宽调制波SPWM。这些SPWM波通过控制六只绝缘栅双极晶体管按一定规律导通得到。可以推导出等份数越多，越接近正弦波。N在变频器中称为载波频率。

2高压变频器的防爆设计

高压变频器应按国家指定的检验单位审查批准的图样和技术文件制造，并经检验合格取得检验单位发放的防爆合格证及矿用产品安全标志。高压变频器的防爆型式设计为矿用隔爆兼本质安全型，防爆标志为ExdbIMb。其分为3个隔爆腔体，分别是接线腔体、变频器腔体和本安腔体。接线腔体和变频器腔体以及接线腔到本安腔均采用穿墙端子过线的方式，以保证防爆性能的完好。接线腔体和变频器腔体为隔爆腔，采用Q235材质，能承受1MPa（至少10s）的水压。

3煤矿对漏电保护的措施

3.1全面性

由于煤矿井下空气潮湿、环境恶劣，加之井下供电系统复杂，电气设备多，包括运输提升设备、采掘设备、通风压风设备等，供电线路长，从井下中央变电所一直到工作面的供电线路，任何一个地方发生漏电，保护装置都应动作，从而保证供电系统的安全。

3.2外置热交换器，冷却方式灵活

装置具备封闭式冗余的水冷系统，有“水水”和“水空”两种散热方式可选。变频器内部热量由内循环水带出到“水水”热交换器，在没有外部冷却水的情况下可以旁路“水水”热交换器并投入“水空”热交换器，在散热环境相对恶劣的条件下可同时投入两种散热方式。冷却系统由主循环子系统、去离子水子系统、“水水”散热子系统（选项）、水风散热子系统（选项）及补水子系统5个功能块组成。主循环子系统提供去离子水侧循环运行的动力，实现对去离子水侧运行的压力、温度、流量及电导率的实时测量。去离子水子系统动态去除水中溶解的电解质离子，保证冷却系统去离子水侧电导率符合变频装置运行要求。“水水”散热子系统，将去离子水侧热量持续稳定散热到外水中，散热器必须按维护手册进行维护。如采用“水水”散热子系统作为二次散热方式，外水流量需大于等于7．3供水压力范围为4-6bar。水风散热子系统（环境温度小于或等于30℃时选用此系统），将去离子水侧热量持续稳定的散热到空气中。补水子系统采用自动提醒操作员手动操作，向冷却系统去离子水侧加注一定容量的补充水。

3.3增强设备的的散热能力

变频器正常运行时，因为其敏感性很容易受到周围环境变化的影响，不仅其外部工作环境可能产生较高的温度，变频器内部的运行模块也会产生较多的热量，使变频器无法在高温环境下持续稳定运行。所以应充分考虑矿井下环境的温度湿度是否有利于变频器运行散热等因素，采用高效率冷却方式，避免变频器运行时因温度过高而引发故障。

3.4矿用变频器漏电保护选择

通过分析影响漏电流大小的因素可以得出，（1）变频器输出功率越大，相电压越大，漏电流越大；（2）逆变时载波频率越高，即ω越大，对地容抗越小，漏电流值越大，引燃瓦斯煤尘及人身触电的危险性也越大；（3）由容抗Xc=1/(ωC)可知，变频器的高频输出，使电缆对地容抗减小，由欧姆定律可知，在电缆和地之间形成较大的漏电流，漏电保护装置检测到此漏电流后，要迅速动，频繁切断变频器电源，造成变频器无法正常运行，影响煤矿效益。所以，在选用矿用变频器的漏电保护装置时，应满足煤矿对漏电保护的要求，即具有漏电闭锁和漏电跳闸双重功能。在变频器接通电源之前，利用附加直流电源检测的方法先检测变频器输出任一相对地的绝缘电阻是否高于漏电闭锁值。127V电压的线路，漏电闭锁电阻值为4kΩ；380V电压的线路，漏电闭锁电阻值为7kΩ;660V电压的线路，漏电闭锁电阻值为22kΩ;1140V电压的线路，漏电闭锁电阻值为40kΩ;若低于漏电闭锁值，则闭锁变频器，不能启动。若高于漏电闭锁值，则可启动变频器，在变频器运行工作期间应具有漏电跳闸保护功能。127V电压线路，漏电动作电阻值为2kΩ;380V电压线路，漏电动作电阻值为3.5kΩ;660V电压线路，漏电动作电阻值为11kΩ;1140V电压线路，漏电动作电阻值为20kΩ。此漏电保护装置还需要在人为中性点与地之间接入一个电感值可以随寄生电容值变化而变化的零序电抗线圈，利用电感电流补偿电容电流，使电容电流接近为0，从而减小漏电流，降低漏电带来的危害性。

结语

综上所述，变频器在煤矿产业的广泛使用和持续改进不仅高效促进了井下作业时设备运行的安全性和可靠性，还大大节省了工业生产的能量损耗，降低了工厂的运作成本。由于其内部结构复杂，故障诊断研发技术还需要不断进行完善，确保变频器设备日常维护和检修工作正常进行十分重要。要定时检查，维护良好的井下环境，及时发现安全隐患问题，杜绝重大故障的发生，为保障煤炭可靠、有序、安全的开采提供坚实有力的基础。

参考文献

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