1 引言

靜電放電(esd)和電快速瞬變脈沖群(eft)對變頻器系統會產生不同程度的危害。當電纜暴露在4~8kv靜電放電環境中時,信息傳輸電纜終端負載上可以測量到的感應電壓可達到600v,這個電壓遠遠超出了變頻器輸入、輸出端口和通信端口的門限電壓值,典型的感應脈沖持續時間大約為400ns。

變頻器在使用中經常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導致變頻器內部電子器件的損壞,損壞的現象是使變頻器中的半導體器件(包括二極管、晶體管、晶閘管和集成電路等)被燒毀或擊穿。據統計變頻器控制部分的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產生上萬伏的靜電感應電壓,這些,都是變頻器控制端口和通信端口的隱形危害源。因此,為了提高變頻器的可靠性就必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。

 

2 防雷端口

根據變頻器應用的工程實踐,變頻器受雷擊可大致分為直擊雷、感應雷和傳導雷。但不論以哪一種形式到達設備都可歸納為從以下4個部位侵入的雷電浪涌,在此把這些部位稱為防雷端口,并以變頻器舉例說明。

 

 

2.1 外殼端口

比如說,我們可以把任何一個大的或小的變頻器或系統視為一個整體的外殼,如傳感器、傳輸線、信號中繼、現場儀表、dcs系統等,它們都有可能完全暴露在環境中受到直接雷擊,造成設備損壞。標準規定,當設備外殼受到4kv的雷電靜電放電時,都會影響變頻器或系統的正常運行。例如放置于室外輸入變頻器的傳感器有可能受到雷電接觸放電;位于室內的變頻器柜有可能受到建筑物避雷引線泄流時的空間放電。

 

 

2.2 信號線端口

在變頻器控制系統中,為了實現信號或信息的傳遞總要有與外界連接的部位,那么這些從外界輸入信號或變頻器輸出的信號接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。因為變頻器柜外部信號輸入變頻器端口的浪涌往往通過長電纜,所以采用10/700μs波形,標準規定線到線間浪涌電壓為0.5kv,線到地間浪涌電壓為1kv。而樓內變頻器之間傳遞信號的端口受到浪涌沖擊相當于電源線上的浪涌沖擊,采用1.2/50(8/20)μs組合波,線到線、線到地浪涌電壓限值不變。一旦超過限值,信號端口和端口后的設備有可能遭受損壞。

 

 

2.3 電源端口

電源端口是分布較廣泛也較容易感應或傳導雷電浪涌的部位,變頻器的電源端口為從配電屏到變頻器電源輸入端和從變頻器輸出端到電動機。標準規定在1.2/50(8/20)μs 波形下線與線之間浪涌電壓限值為0.5kv,線到地浪涌電壓限制為1kv。但這里的浪涌電壓是指明工作電壓為220v交流進入的,如果工作電壓較低則不能以此為標準,電源線上受較小的浪涌沖擊不一定立即損壞設備,但至少對壽命有影響。

 

 

2.4 接地端口

盡管在標準中沒有專門提到接地端口的指標,實際上變頻器的接地端口是非常重要的。在雷電發生時接地端口有可能受到地電位反擊、地電位升高影響,或者由于接地不良、接地不當使地阻過大,達不到參考電位要求使設備損壞。接地端口不僅對接地電阻/接地線極(長度、直徑、材料等)、接地方式、地網的設置等有要求,而且還與設備的電特性、工作頻段、工作環境等有直接的關系。同時從接地端還有可能反擊到變頻器內的直流工作電源端口,損壞以直流為工作電壓的單元電路。綜上所述,變頻器的防雷可以考慮從四個關鍵的端口入手,如圖1所示。

圖1 變頻器的四個關鍵的端口

3 變頻器的端口保護

3.1 外殼端口

變頻器的外殼端口保護不僅僅是建筑物外殼,也應當包括變頻器外殼或變頻器柜的外殼,比如說變頻器、變頻器柜室等。按照iec 1312—1《雷電電磁脈沖的防護》第一部分(一般原則)的適用范圍為:建筑物內或建筑物頂部變頻器系統有效的雷電防護系統的設計、安裝、檢查、維護。其保護方法主要有三種:接地、屏蔽及等電位連接。

(1) 接地

iec1024—1已經闡述了建筑物防雷接地的方法,主要是通過建筑物地下網狀接地系統達到要求。變頻器系統防雷時還要求對相鄰兩建筑物之間通過的電力線,信號傳輸電纜均必須與建筑物接地系統連接起來(不能形成回路),以利用多條并行路徑來減少電纜中的電流。

變頻器系統的接地更應當注意系統的安全性和防止其它系統干擾。一般來說工作狀態下變頻器系統接地不能直接和防雷地線相連,否則將有雜散電流進入變頻器系統引起信號干擾。正確的連接方式應當在地下將兩個不同地網,通過放電器低壓避雷器連接,使其在雷擊狀態下自動連通。

(2) 屏蔽

從理論上考慮,屏蔽對變頻器外殼防雷是非常有效的。但從經濟合理角度來看,還是應當從設備元器件抗擾度及對屏蔽效能的要求來選擇不同的屏蔽方法。線路屏蔽,即在變頻器系統中采用屏蔽電纜已被廣泛應用。但對于設備或系統的屏蔽需要視具體情況而定。iec提出了采用建筑物鋼筋連到金屬框架的措施舉例。

iec1312—2作了如下描述:建筑物內部變頻器系統的主要電磁干擾源是由一次閃擊時的幾個雷擊的瞬時電流造成的瞬態磁場。如果包含變頻器系統的建筑物或房間,用大空間屏蔽,通常在這樣的措施下瞬時電場被減少到一個足夠低的值。

(3) 等電位接連

等電位連接的目的是減小變頻器之間和變頻器與金屬部件之間的電位差。在防雷區的界面處的等電位連接要考慮建筑物內的變頻器系統,在那些對雷電電磁脈沖效應要求較小的地方,等電位連接帶需要采用金屬板,并多次與建筑物的鋼筋連接或連接在其它屏蔽物的構件上。對于變頻器系統的外露導電物應建立等位連接網,原則上一個電位連接網不需要直接連在大地,但實際上所有等電位連接網都有通大地的連接。

 

 

3.2 信號線端口

信號線端口保護現在已經在已有許多類型的較為成熟的保護器件,比如變頻器信號端口保護器、變頻器通信端口保護器等。在保護器選擇時除了保護器本身的性能外,應該注意保護設備的傳輸速率、插入衰耗限值、駐波比、工作電壓、工作電流等相關指標,如果在同一系統使用多級保護還應該考慮相互配合問題。

在信號端口竄入的瞬態電流比較容易損壞變頻器內部的信號交換或轉換單元及控制單元,如主板、并行口、信號接口卡等。事實上瞬態電流或浪涌可能通過不同途徑被引入到信號傳輸網絡中,若變頻器控制系統和上位機通信采用以太網結構,則ieee 802—3以太網標準中列出了四種可能對網絡造成威脅的情況:

(1) 局域網絡元件和供電回路或受電影響的電路發生直接接觸;

(2) 局域網電纜和元件上的靜電效果;

(3) 高能量瞬態電流同局域網絡系統耦合(由網絡電纜附近的電纜引入);

(4) 彼此相連的網絡元件的地線電壓間有細小差別(例如兩幢不同建筑的安全地線電壓就有可能略有不同)。

以變頻器通信線為例,在rs-232的串、并行口的標準中,用于泄放高能浪涌和故障電流的地線同數據信號的返回路徑共享一條線路,而小至幾十伏的瞬態電壓都有可能通過這些串、并行口而毀壞上位機及終端等設備,信號傳輸線也能直接將戶外電源線上的瞬態浪涌傳導進來,而信號接口能夠傳導由閃電和靜電泄漏引起的浪涌電壓。

用戶應當對數據線保護器慎重選擇,有些保護器雖然起到了“分流”作用,但常常是將硅雪崩二極管(sad)接在被保護線路和保護器外殼之間,測試表明sad的箝位性能很好,但它電涌分流能力有限。同時壓敏電阻(mov)也不能在數據線保護器上使用。先進的過程控制系統的信號接口防雷保護裝置(無論是rs-232串等通信接口還是計算機同軸網絡適配器接口)目前均采用瞬態過電壓半導體放電管,其沖擊殘壓參數指標很重要。有條件時能夠采取多級保護設計電路效果更佳。

 

 

3.3 電源端口

原則上采用多級spd做電源保護,但變頻器控制系統的電源保護由于其敏感性必須采用較低的殘壓值的保護器件,且此殘壓應當低于需要保護設備的耐壓能力。同時還必須考慮到電磁干擾對變頻器系統的影響,因此帶濾波的分流設計應當更加理想。所以對于變頻器系統電源保護特別注意的兩點是:前兩級采用通流容量大的保護器,在變頻器終端處則采用殘壓較低的保護器。在保護器中需要有濾波電路。對變頻器系統電源端口安裝spd時應注意以下問題:

(1) 多級spd應當考慮能量配合、時間配合、距離配合。如果配合不當的話,效果將適得其反。

(2) 連接防雷保護器的引線應當盡量粗和短。

(3) 全保護時盡可能將所有連接線捆扎在一起。

 

4 結束語

變頻調速傳動系統中,重視變頻器的的端口防護,已成為變頻變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題,也是變頻器應用和推廣的關鍵問題之一。變頻器的端口防護問題一定會不斷發展和完善。


2017年07月27日

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變頻系統的端口防護技術

靜電放電(esd)和電快速瞬變脈沖群(eft)對變頻器系統會產生不同程度的危害。當電纜暴露在4~8kv靜電放電環境中時,信息傳輸電纜終端負載上可以測量到的感應電壓可達到600v,這個電壓遠遠超出了變頻器輸入、輸出端口和通信端口的門限電壓值,典型的感應脈沖持續時間大約為400ns。

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