变频器过电压理论研究

变频器过电压理论研究变频器过电压理论研究 摘要 本文从实际出发较系统地分析了变频器在运行中可能出现的几种过电压以及抑制方 法 可以较好地应用在变频器的设计和使用过程中 保护变频器的安全 关键词 变频器 变压器 过电压 研究 abstract The technology article analyses manifold over voltages by the numbers when inverter working and analyses how restrain over voltage These methods restraining over voltage are useful in designing and using inverter and protect safety of inverter Key words inverter transformer over voltage researching 在我们的实际工作中 经常会碰到各种各样的过电压 特别是高压大功率变频器中使用了 功率较大的变压器 在运行时可能出现各种过电压而引起系统运行异常 需要我们对这些 过电压进行限制或克服 下面我们对变频器在运行中可能出现的过电压进行分析 一 分断空载变压器出现的过电压 按照截流过电压形成的理论 当断开空载变压器时 变压器电感中的电流不能突变 其中 存储的磁场能量 在变压器励磁电感 L 和对地电容间形成振荡 从而出现过电压 图 1 变压器等效电路及过电压形成 设计得移相变压器最大过电压峰值为 Um 14 5 1 414Un 123KV 由以上计算知道 由于变频器中得变压器在分断时会产生很高的分断过电压 因此必须想 办法吸收这些过电压 二 合空载变压器产生的过电压 对于合空载变压器产生涌流过电压 理论上只有在做变压器空合闸试验中出现 而在实际 的变频系统中基本上是不存在的 因为变压器基本上都是带负载合闸 我们在实际试验中合空载变压器曾检测到数倍于电源电压的过电压 其物理原理为 空载 变压器仍可等值于一个励磁电感与变压器本身的等效电容的并联 如果变压器的中性点不 接地 开关又是非同期合闸 一相或两相先合 由于馈线电容 变压器对地电容 纵向 电容与变压器电感产生振荡 结果产生较高的过电压 特别是后合相及变压器中性点过电 压较高 其等值运算和过电压波形如下 一般情况下 在合闸的瞬间由于电磁场由零磁通突然产生变化 根据电磁感应定律 通过 分布参数会产生自激振荡 如果在合闸瞬间的频率和幅值刚好满足自激的条件 变压器会 产生较高的自激电压而产生较高的过电压 由于变压器等效电路中的电阻对自激能量的吸 收作用 这个电压会在合闸后数周波或者几秒内逐步衰减到零 但是对于特别大的变压器 这个减幅振荡可能会维持数秒钟 合闸瞬间的自激电压及减幅振荡波形如下图 2 因此对 于合闸中的涌流过电压也因该引起高度重视 图 2 变压器合闸涌流引起的过电压波形 某供电所对一台 S 90000 220 变压器进行了空合闸试验 对过电压进行了实测 中性点过电压 KV 234 倍数 1 84u 未合相过电压 KV 528 倍数 2 95 u 断路器 不同期时间 20ms 中压侧过电压倍数 3 1 倍 低压侧过电压倍数 6 2 倍 由此得出结论 变压器中性点不接地 断路器三相非同期合闸时过电压很 高尤其是后合 闸的线圈 变压器副边 低压侧 过电压倍数很高 对这类过电压改善办法 1 中性点接地 或先将中性点刀闸合上后再合变压器 最后断开中性点 2 改善断路器的同期性 防止非同期合闸引起较高过电压 三 变压器带单元合闸产生的过电压 根据上述理论分析及案例我们知道 变压器带上负载后合闸也会产生过电压 只是相对空 载时要小些 在我们的真实负载中有比较大的电容 由于电容的储能不会突然增加 再加 上输送电缆在传输高频率的振荡电压时有分布对地电容 这些电容对过电压有吸收作用 这两者的共同作用使变压器在合闸过程中的过电压受到抑制 但是有时候其数值仍然很高 甚至有可能高出元件的耐压值 这是很危险的 因此我们采用增加器件耐压和增加过电压 吸收电路的办法克服合闸过电压 四 整流元件的换向过电压 五 过电压的抑制 1 变频器移相变压器的分断过电压抑制 对于变频器移相变压器的分断过电压 我们采用阻容吸收网络和氧化锌避雷器组成过电压 吸收回路 取得较好效果 阻容吸收网络的作用 变压器回路的电容器由于其储能作用 不允许电路中的电压突变 可有效地减缓过电压上升陡度 同时又可降低负载的波阻抗 因而降低分断过电压 电阻 R 的作用是当发生分断过电压时 它在负载电路的高频振荡中使能量消耗 有效地抑制过 电压值 同时使过电压加速衰减 避雷器的作用 回路中的避雷器能限制过电压的幅值 但不能减缓过电压上升陡度 双避雷器的作用 采用双避雷器的作用是如果变压器遭受到大气雷电过电压 前级避雷器 放电后仍有可能存在较高的残压 这时可以由第二级避雷器来继续限制前级避雷器产生的 残压 实际使用中 6KV 避雷器 5KA 放电后的残压仍高达 26 9KV 仍高于变压器的绝缘 水平 这时应用第二级避雷器对过电压进行第二次抑制 使得系统安全正常工作 第二级 避雷器的保护阈值应低于第一级的避雷器保护阈值 2 合空载变压器产生的过电压限制 采用特殊设计的移相变压器 使其设计参数符合低涌流倍数的技术要求 目前我们设计和 生产的变压器都属于低涌流倍数变压器 保证了系统不会因为涌流过电压而出现运行故障 一般我们要求系统的主断路器电流的整定值和跳闸时间的整定值应有一定的延迟 如使断 路器的整定时间 td 0 3 秒 不要让开关时间整定为 td 0 3 变压器带单元合闸产生的过电压的抑制 合闸空载变压器的过电压只是在对变压器作空载合闸试验时碰到 因此具有实际意义的是 对变压器带单元合闸过电压的抑制 以下方法都是有效的办法 建议复合选用 1 选用同期性能好的开关 开关长期操作 后会出现不同期 2 采用良好的阻容吸收回路或者有源抑制器技术方案 采用带静电屏蔽措施的变压器 可以有效地抑制合闸过电压 但是大功率变压器在制作静 电屏蔽层的难度将是相当大的 4 整流元件的换向过电压抑制 前面已经介绍了整流元件过电压抑制的办法 注意点是 整流元件的反向耐压值要足够 其次就是吸收回路和续流回路必须措施得当 否则整流器件就有可能被过电压击穿 5 从变压器设计上来减小过电压的方法 从公式 4 中我们知道 由于变频器工作时的过电压基本上是变压器分闸合闸时产生 因此应该从变压器开始想办 法抑制变频器的过电压 从公式 4 我们可以得到抑制变压器过电压的有效办法 可以 从理论上指导我们从根本上减小变频器运行时的过电压 1 加大变压器励磁电感和对地电容 加大励磁电感即减小空载电流 这都会引起变压器成本的增加 2 加大变压器对地电容 原理上容易分析 但是实际上由于变压器