矿用高压变频风机绝缘损坏的机理和对策

曹建文

（山西天地矿山技术装备有限公司，山西 太原030006）

风机在煤矿井下起着非常重要的作用，给矿井提供新鲜的风流，为了调节风量，交流变频调速广泛应用于风机的控制系统中。但在实际使用中，高压变频风机会出现绝缘提早失效的现象，为此，本文通过对10 kV/1 MW主风机绕组烧毁的机理进行分析，以为电缆分布电容的存在与电机电感组成LC谐振网络，该网络对开关频率某次谐波进行放大，引发高频尖峰电压，最终导致电机绝缘损坏。同时文章给出了滤波器设计，并在实际使用中验证了其有效性。

1 系统描述

1 供电系统

系统供电如图1所示，10 kV高压直接供给1 MW的感应电机或经变频器和变压器供给电机，变频器采用成熟的660 V两电平结构，前端接降压变压器T1，后端接升压变压器T2，输出母线到电机电缆长度约800米，为了可靠运行，在变频器故障时，四个开关柜可以实现直接旁路变频器。在实际运行过程中，发现两台电机绕组绝缘提早失效与电机端存在过电压现象有明显的联系，尖峰电压幅值与电缆长度、分布电容、分布电感以及PWM波上升沿有密切的关系。

图1 系统供电图

2 系统模型及仿真

电机绕组绝缘损坏明显，表明电机端存在过电压现象，主要原因有以下两个方面：一，具有快速上升沿的PWM波在电缆传输时会产生反射现象；二，变压器、电缆、电机的阻抗不匹配可能引起逆变器的开关谐波放大。为了解释过电压产生的机理并最终解决问题，本文采用集中参数对其进行简化并建模仿真。

2.1 波形反射理论

线路阻抗不匹配是产生波反射的主要原因。在进行系统分析时，从受电端看，PWM波经过电缆长距离传输，由于电机和电缆的阻抗严重不匹配，在电机端产生了高频反射现象，反射率T可由公式1计算：

Z1和Z2分别是目的端和源端的阻抗，电缆的阻抗，可以等效为：

Lc和Cc是电缆单位长度内的分布电感和分布电容，电机的感性阻抗会对高频信号呈现高阻抗，结果使得T≈1。另一方面，在逆变器端，其特性阻抗取决于直流母线电容，它对高频信号呈现低阻抗，像一个理想的电压源，没有过电压现象，甚至还能吸收高频成分，这样就会造成PWM波和电机端的反射波形相互叠加，产生约2倍直流母线的尖峰电压。如图2所示：为了降低尖峰电压幅值，拟在变频器和电机间安装LC滤波器，改变整个PWM波传输系统的特性阻抗，从而达到抑制反射并改变其频谱分布的目标。

图2 电机端反射波形

2.2 反射模型

为了简化分析的问题，对于传输电缆，用集中参数代替分布参数，其关键是电缆的分布电容，它与电机的电感组成了LC网络，这是造成变频器开关谐波放大的主要原因，也是使电机端承受过电压危害的原因，其模型如图3所示。

图3 简化模型

L1、R1、R2、R3是升压变压器模型参数，C1是电缆电容参数，L2和R4是电机模型参数，实际值如表1所示。

表1 参数模型值

使用图3的模型和表1的数据，PWM信号由两电平变频器产生，开关频率为1 k，经仿真和频谱分析，电机端电压的最高幅值约为24.5 kV，约是额定值的1.72倍，如图4所示；并在电机端产生一个约3 kHz的反射波，幅值约为基波的62%，如图5所示。

图4 电机端电压形

图5 电机端频谱

3 滤波器设计

电机绝缘损坏明显是由过电压造成的，产生过电压是由于在变频器和电机之间存在感应电容，于是设计了一个低通滤波器，消弱反射现象，这个滤波器位于变频器和升压变压器中间，其结构如图6，其参数为：LF=85 uH，CF=2 mF，RF=13 mΩ。

图6 低通滤波器结构图

为了验证滤波器的效果，对系统进行了仿真。在45 Hz时，电机端电压波形如图7所示，尖峰值为15.5 kV，约是额定的1.18倍。

图7 45 Hz时电机端电压仿真波形

在安装滤波器以后，进行了现场测量，变频器在55 Hz时，电机端电压波形如图8所示，从图中可以看出，波形接近于正弦波，并彻底消除了反射现象，保护了电机绝缘。

图8 55 Hz时电机端电压的实测波形

4 结束语

本文分析了PWM波经电缆长距离传输后在电机端产生过电压的原因，主要是由于电缆分布电容的存在，与电机的电感组成LC震荡网络，对变频开关谐波进行了放大，出现了约2倍直流母线的尖峰电压，从而造成了电机绝缘提早失效。同时也给出了解决方案，在变频器与升压变压器之间，安装一个低通滤波器，改变整个传输网络的特性阻抗，避开谐振点，仿真和实验结果都达到了预期效果。