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产品描述

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西门子6ES7222-1EF22-0XA0规格齐全

6kVPT;爆裂原因;剖析;防范措施


    在6~35kV的中性点非有效接地系统中,由于变压器、电压互感器、消弧线圈等设备铁心电感的磁路饱和作用,激发产生持续的较高幅值的铁磁谐振过电压。铁磁谐振可以是基波谐振、高次谐波谐振、分次谐波谐振。这种谐振产生的过电压的幅值虽然不高,但因过电压频率往往远低于额定频率,铁心处于高度饱和状态,其表现形式可能是相对地电压升高,励磁电流过大,或以低频摆动,引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生、虚幻接地现象出现和不正确的接地指示。严重时还可能诱发保护误动作或在电压互感器中出现过电流引起PT烧坏。 

    1 故障现象及相关数据 

    6kV系统共有八段,采用的是上海华通开关厂生产的电气组合柜,该厂设备自投产以来,主部件未发生大的缺陷,但其辅助测量PT发生了8台次损坏,现象表现为本体炸裂、内部绝缘物质喷出故障,致使6kV系统的相关保护不能投运,部分自动功能无法实现。这给厂用系统的安全稳定运行带来了极大的隐患。 

    2 故障原因初探 

    根据故障现象,经过初步判断,估计是由于下述的几个原因所致。 

    1)产品质量不好:如果由于产品本身绝缘、铁心叠片及绕制工艺不过关等,均可能致使电压互感器发热过量使绝缘长期处于高温下运行,从而导致绝缘加速老化,出现击穿。该类型的电压互感器一次侧绕组发生匝间短路,这样电流会迅速增大,铁磁也将迅速饱和从而导致谐振过电压,使绝缘击穿,高压熔断器被熔断。 

    2)电压互感器二次负荷偏重,一、二次电流较大,使二次侧负载电流的总和超过额定值,造成PT内部绕组发热增加,尤其是在电压高于PT额定电压(6kV)情况下,PT内部发热更加严重;再者,该系统属于中性点非有效接地系统,故一次侧电压在运行中容易发生偏斜,当某相出现高电压时,该相PT更加容易发生热膨胀爆裂。 

    编号电压互感器型号现象备注 

    601VKI7.2C相爆裂,引起匝间短路更换为JDZX8-6型电压互感器后,投运不到两天时间,又发生B相爆裂,引起匝间短路 

    603VKI7.2A相爆裂,引起匝间短路 

    604VKI7.2A相爆裂,引起匝间短路 

    606VKI7.2A、C相爆裂,引起匝间短路 

    607VKI7.2A、C相爆裂,引起匝间短路 

    主要技术参数:变比600/根号3/100根号3/100/3,额定容量90/100VA,上海互感器厂 

    注:1)VKI7.2型电压互感器为引进型,国内相应的产品型号为JDZX8-6;6kVⅠ段至Ⅷ段各有一组(3台)变比为6000/3/100/3/100/3的互感器,2)工艺为树脂浇注式半绝缘,一次中性点的耐受为3kV(出厂值)。 

    3) 由于铁磁谐振而造成电压互感器被击穿,因为:被击穿的电压互感器所处的母线带的负荷呈感性的比较多,特别是Ⅲ、Ⅳ段,带有大容量的深井泵,在负荷分配上其感抗大于容抗,由于某种原因,而使系统电压波动(如深井泵频繁启停等),使电路中电流和电压发生突变,可能导致电压互感器铁心迅速饱和、感抗减小,当感抗小于容抗时,将产生铁磁谐振,导致电压互感器激磁电流增大几十倍,而过电压幅值将达到近2.5Ue,甚至于达到3.5Ue以上,而且持续时间较长,电压互感器在这样大电压、大电流下运行,使本身的温度也迅速升高,导致损坏。根据上述的分析,为此组织QC小组对其原因进行分析,同时派人外出调研,调研表明:(1)应不存在产品质量问题,原因是该互感器在华东地区广泛采用,从收集的资料上看,该厂产品的业绩是良好的,虽然在某些地方也曾出现过一些问题,但象二滩电厂这样大量的损坏是没有的。(2)怀疑电压互感器二次负荷偏重导致PT损坏的理由也不成立,原因是该PT0.5级二次绕组额定容量为90VA,在1998年11月16日,测量了604PT二次侧星形接线负荷,在二次接线回路上施加100V的三相交流电源(停用备自投),测得Ia=0.61A,Ib=1.05A,Ic=0.605A,测得星形接线负荷容量:Sa=35.2VA,Sb=60.6VA,Sc=35VA,PT总输出容量为105.6VA;次日,测量601PT二次侧星形接线负荷,在二次接线回路上施加100V的三相交流电源(停用备自投,有一块电度表未装),测得Ia=0.4A,Ib=0.7A,Ic=0.4A,测得星形接线负荷容量:Sa=23.09VA,Sb=40.04VA,Sc=23.09VA,PT总输出容量为69.28VA。通过实际测量结果分析,除604PT有一相超出额定值外,其余均在额定值范围内,同时,按照PT的容量为一个数列,一般50VA就能满足使用,所以说90VA的容量应该是足够大的。因此,二滩大量的PT损坏原因应该为电磁谐振所致。 

    3 铁磁谐振的几个特点 

    1)对于铁磁谐振电路,在相同的电源电势作用下回路可能不只一种稳定的工作状态。电路到底稳定在哪种工作状态要看外界冲击引起的过渡过程的情况。 

    2)PT的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因,但铁磁元件的饱和效应本身也限制了过电压的幅值。此外回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制。当回路电阻大于一定的数值时,就不会出现强烈的铁磁谐振过电压。 

    3)串联谐振电路来说,产生铁磁谐振过电压的的必要条件是ω0=1/L0C<ω。因此铁磁谐振可在很大的范围内发生。 

    4)维持谐振振荡和抵偿回路电阻损耗的能量均由工频电源供给。为使工频能量转化为其它谐振频率的能量,其转化过程必须是周期性且有节律的,即…1/2(1,2,3…)倍频率的谐振。 

    5)铁磁谐振对PT的损坏。电磁谐振(分频)一般应具备如下三个条件。 

    ①铁磁式电压互感器(PT)的非线性效应是产生铁磁谐振的主要原因。 

    ②PT感抗为容抗的100倍以内,即参数匹配在谐振范围。 

    ③要有激发条件,如PT突然合闸、单相接地突然消失、外界对系统的干扰或系统操作产生的过电压等。 

    据试验分频谐振的电流为正常电流的240倍以上,工频谐振电流为正常电流的40~60倍左右,高频谐振电流更小。在这些谐振中,分频谐振的破坏*大,如果PT的绝缘良好,工频和高频一般不会危及设备的安全,而6kV系统存在上述条件。 

    4 铁磁谐振的常用办法 

    根据以析配电系统铁磁谐振的特性,就不难找到加以解决的办法。通常的解决办法有: 

    1)PT一次的中性点加装阻尼电阻。该方法在已广泛采用,生产定型产品的厂家比较多,在实际运用中都取得了满意的效果。如西安电瓷厂生产的RXQ系列消谐器,该消谐器串接于PT一次绕组中性点与地之间,内部材料为大容量的非线性碳化硅电阻片及散热片等串联组装于瓷套内而成。其工作原理为:在低压下消谐器呈高电阻值(可达几百千欧)使谐振在起始阶段不易发展,单相接地时,消谐器上出现千余伏电压,它的非线性电阻下降,使其不影响接地保护的工作。 

    2)在PT开口三角侧并联固定(或可变)阻尼,一些要求不太高的变电所或配电

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   1、下面将从三个方面来讨论如何提高变频调速系统的可靠性。
 (1) 提高变频器本身质量和可靠性。
变频器生产厂商如何根据用户高可靠性的要求制造出性能稳定,运行可靠,价格合理的产品满足市场需求也是这个产品或这个产业能否持续发展的关键。
具体要求有下列几项:
 ① 变频器的电路结构应力求简单可靠
 a.首选采用真正的高一高(交-直-交)直接变频主电路。
 b.功率单元愈少愈好,尽量避免功率单元和电力电子器件的串联。因为串联系统的可靠度减小(N次幂)、而串联系统的失效率增大(N倍)。虽然并联系统有利于可靠性的提高,减少失效率,增长装置的平均寿命,但是目前电力电子器件的电流可达3KA——4KA水平,所以不并联也可以使用了,目前主要问题是电力电子器件的耐压水平进一步提高后,电力电子器件就可以不串不并,便会大大提高变频器的可靠性。
 ② 变频器中电力电子模块的选用——耐压和电流额定值必须具有充分的裕度。外国某变频器制造商曾说:“功率模块充分降额使用可以换来装置的可靠性”。反之,所选功率模块参数接近计算值,没有一定的余量,存在侥幸心理,结果会造成变频器功率模块烧毁。
究其原因不外两方面:
 (1)功率模块所选耐压和电流额定太小。
 (2)所购进的功率模块是否正品?是否名牌厂商产品?目前国内IGBT功率模块还无法满足高压变频器的要求,但从国外购进IGBT,其质量又不尽如人意。其一,根本不可能购到品()和一等品(正品),大多属于有某1-2个指标不合格而被筛选下来的产品。其二,国内一般不具备严格的动态测试设备。那些未经挑选的功率模块,没有通过电热老化处理。不合格的功率模块装到整机上,发生故障甚至烧毁也在情理之中。


 ③ 变频器中电力电子模块应有充分的通风量和冷却措施。保证在允许结温下运行,离允许结温愈低,变流装置的可靠性愈高。
功率模块冷却方式可以风冷,水冷以及先进的热管技术。不论何种方式,需将整流变压器和变流装置损耗产生的热量带走,保持允许的结温。
根据装置的容量,损耗大小,制造商提出必须的通风量。

[注> 1)、新鲜冷空气,从变频器柜底部送入,由箱体顶部排出。空气逆方向流过(自上而下)是不允许的。
 2)、变频器柜下部进风处应设置过滤网,防灰尘和油雾等杂质进入柜内。
 保证变频器必需的通风量(米3/分或CFM)目的是为了散热冷却,使功率模块正常工作,不致于超过允许结温。另外有些工矿地处沿海、江和湖泊或是盐雾,潮湿和腐蚀气体环境,还应有防潮,防腐措施,例如,为了防止停役几天或几周后,变频器柜内受潮,绝缘下降,影响顺利开车,变频器柜内设有低压电加热器(电热丝加热,红外线电加热或远红外线电加热装置)。当变频器停役时,自动地将电加热器投入工作,确保箱内和干燥。
 ④ 变频器必须制作精良,连接牢靠
具体要求:
 a.连接件要少,尽量避免插件方式(易松动,不牢靠),以焊接代替接线端子,尽量少用电位器。
 b.采用大面积整块印刷电路板。
 c.采用无接线独特结构的电力电子功率模块,提高产品的可靠性。
 d.合理布局。例如:整流变压器与变流装置之间的隔热以及防电磁干扰措施;高压与低压之间的光电隔离和采用光缆传输。

 ⑤ 变频器出厂前应进行严格地带载试验和48-72小时性能考核。一台变频器由大量电气元器件组装而成。除了选用名牌和正品的符合技术要求的器件,并经过测试筛选,不可靠的元器件外,出厂前必须使变频器带电运行考验。一般要进行48-72小时连续运行考验,要求特别可靠的场合进行7昼夜(24*7=168小时)考验,其考核条件为:
 a.带负载试验(不是空载或轻载)
 b.具备实际应用场合的温度和相对湿度。
凡经试验检测符合技术规范,并通过长时间考核的变频器出厂投运以后,都会有很高的可靠性。

 2 根据生产机器负荷要求和电动机规格参数,正确选择变频器形式及容量匹配
 如果单有变频器本体的高可靠性,而变频器选型和容量匹配不适当,组成的变频调速系统也不可能达到很高的可靠性,甚至无法运转,为此,我们必须:
首先根据负荷性质,正确选用变频器类型。总的原则就是什么性质负载特性配什么特性的变频器。
 (1) 恒转矩生产设备——在调速范围内,负载力矩基本恒定不变。应选具有恒转矩性能的变频器。其过载能力为150%额定电流维持1分钟。
 (2)平方转矩生产设备——在调速范围内,负荷力矩与转速的平方成正比,即M∝n2,离心式风机,水泵为它的典型代表。具有M∝n2特性的变频器其过载能力较小,110%-120%额定电流过载1分钟,
 (3) 恒功率负荷生产设备-在调速范围内,转速低力矩大;转速高力矩小,即M•N C(常数)。典型设备如机床及卷绕机构。
 当然有些变频器厂商的产品不分恒转矩和平方转矩负载,是通用型的。两种负荷都可选用。恒功率负荷特性是依靠V/F比来实现,并没有恒功率性能的变频器。

 归纳起来,选用变频器型号应与负载力矩相适应。恒转矩特性的变频器可以用于风机水泵负载,反过来,平方转矩特性的变频器绝不能用于恒转矩特性的负载。
其次根据电动机名牌额定参数来匹配变频器容量
通常匹配原则: PEINV≥PEmotor(kW)
IEINV≥1.1-1.2IEmotor(A)
重视电流这个参数,因为电力电子模块的功耗是IX△U(电流与管压降之积),与变频器的输出电压大小并没有直接关系。而变频器的输出功率是它与输出电压、输出电流之积成正比。实践中往往发生输出电流已超过,但输出功率并未超过,结果造成电力电子功率模块烧毁的故障。因此,应主要考虑电流指标。
 变频调速主电路结构应用形式多种多样,如何选用匹配呢?
 (1) 一对一单电动机变频调速方式。
因为变频器具有软起动(低压低频起动——逐步升压升频升速),不存在冲击电流现象。
因此选用IEINV≥(1.1-1.2)IE motor
按确定的IEINV电流值,查产品目录,可找到合适的变频器
 (2) 多电动机变频调速方式(多电机共用一台大变频器)
比如,有N台相同参数的电动机,同期起动电动机为K台,*大电流状况是当(N-K)台电机已起动完毕,处于高频高压运行之下,*后K台电机直接起动(直接起动电流很大,异步电机5-7倍,永磁同步电机10-14倍,设为IQ motor)。
选用变频器的充分且必要的条件是:
 a)IEINV a≥(1.1-1.2)[N•IE motor>
 b)IEINV b≥(1.1-1.2)[(N-K)•IE motor +K•IQ motor>
在IEINV和IE INV选择电流大的数值,再查产品目录,确定变频器的规格。
 (3) 共用直流电源的多逆变器多电机变频调速方式(逆变器与电机仍属于1对1方式)
随着变频技术的进步,出现了小变频器多电机方案(实质类同1对1变频调速)和共用直流电源方案(多个逆变器共用一套直流电源,一个逆变器驱动一台电机。)
共用直流电源电流计算公式:
IE con≥(1.1-1.2)[IE motor1+ ……+IE motorn>或(1.1-1.2)•N•IE motor

 3 变频器应有良好的运行环境和维护保养
 尽管选用了高质量的变频器,并且变频驱动系统匹配也正确,如果希望获得长周期安全稳定运行,还应有一个良好运行环境以及做好设备维护保养。
 (1) 变频器应有的运行环境
 几乎所有的变频器制造厂商都说,可以在0-40℃温度,相对湿度RH≤95%(不结露)环境下工作。但是,为了变频器更有利的运行,希望变频器置于空气调节的环境里,温度控制在25±3℃,相对湿度RH≤70%-75%。实践证明,置于空调环境下变频器的故障机率要比没有空调环境变频器少得多,系统的可靠性增加很多。
另外,变频器的空调*好采用独立专用空调,避免使用车间空调或中央空调,因为中央空调、车间空间会把空气中的油污,灰尘和腐蚀性气体进入变频器柜内,引起变频器电力电子、微电子(IC集成电路)元器件的损坏。
 (2) 加强每天的巡检及定期维修。
 ① 日常运行巡检项目,主要检查有无异常现象。例如冷却系统异常、过热、变色、异味、异声和异常振动。定时抄录变频器的输入和输出的电气参数是否正常。
 ② 定期维修——变频器停役后进行断电维修。除了清扫和紧固接线端子外,重点维修项目(即变频器薄弱环节)有:
 a.电介电容器是否变形和渗漏电介液;是否腐蚀印刷电路板,造成绝缘电阻下降,引起IC软故障。国外厂商规定3-5年运行后,应将电介电容器强制更换。
 b. 冷却风扇及过滤网清理。2-3年运行后,冷却风扇也应强制更换。
 c. 印刷电路板是否腐蚀损坏。*好进行喷膜处理,可以抗腐蚀性,增强绝缘性能。我们公司某化纤厂对安川变频器印板进行清洗,燥干和喷膜处理,修复了几十台损坏的变频器,并在变频器十多台上推广这个喷膜处理技术,取得良好的效果——修复后再也没有发生类似故障。当然在进行喷膜处理时,特别要注意保护好各类接插件口,不要让膜层保护剂喷入,以免引起接触不良。具体做法,接插件口可先用遮盖剂或塑料胶带遮后再喷膜。



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