目前，煤矿井下交流电牵引采煤机、绞 车、竖井提升机、胶带输送机、风机、水泵等都已普遍采用交流变频调速装置。但由于井下作业的特殊情况，在使用时应特别注意交流变频调速装置的保护，如过电压、欠电压、过电流、超载、短路、漏电、缺相、超温等。否 则，交流变频调速装置很难适应煤矿井下恶劣工况。本文就矿用交流变频调速装置的漏电保护方法作一讨论。 一、概述 当前使用的通用型交流变频器，围绕功率开关器件，经较长时间的发展和改进，已逐步形成一套较为完备的保护体系，尤其是对过电流以及交流变频器输出端的相间短路，已有很好的保护措施，它可通过检测功率开关器件的工作电流或相关电压来作出判断。常规的检测手段，一是通过变频器输出端的霍尔电流传感器监视输出电流，了解负载的变化情况；二是通过专门电路检测功率开关器件的集射极电压V 来监测桥臂短路或负载相间短路情况。后一种检测方法在通用型交流变频器中已获得广泛使用。当前最常用的IGBT的驱动器内部，都设有V 检测保护电路。这种保护方法对上下桥臂击穿和输出相间短路等故障特别有效，但在遇到交流变频器输出对地漏电或短路等情况时不是很有效的，甚至对变频器还存在潜在的危 险。 由于一般通用型的交流变频器对输出对地的漏电或短路等故障尚无可靠的保护措施，所以，使用时应予以考虑。在煤矿井下，由于环境恶劣，工况特殊，诸如设备陈旧，电缆老 化，环境潮湿等原因，均可使电气绝缘性能下降，所以漏电或对地短路等故障是常见现象。因此对矿用的变频调速装置设置漏电保护尤为重要。 二、变频调速装置漏电信号的特点 漏电保护的关键是如何取得漏电信号。目前我国煤矿井下常用的漏电检测方法有两种：一是利用电器工作电源直接检测；二是采用附加直流电源间接检测，其检测原理电路分别见图１和图２。这两种检测方法，其检测网络的中心点（图１和图２的０点）在正常情况下 （即不漏电时）对地电位均为零。这一条件对于供电电源为50Hz工频电源时是完全可以满足的，只要检测网络三相的元器件参数基本相同就可以了，因为对称三相正弦交流电源的电压或电流的矢量和均为零。然而对于把交流变频器作为动力源时情况就不同了。交流变频器三相输出的电压波形严格讲只是近似于正弦波，因为交流变频器是通过脉宽调制方法(PWM)使输出的电压波形接近正弦波。由于脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的波形，所以不管是哪一种PWM调制方法所获得的输出波形都不是完美的正弦波，它存在死区，还存在一系列高次谐波分量，从而使三相电压或电流的矢量和不等于零。因此，如果仍使用工频情况下采用的漏电检测电路，其检测网络的中心点的对地电位在正常情况下就不再为零。图３为采用原间接检测法电路，当交流变频器输出20Hz时在网络中心点０实际测得的对地电压波形。这是一个交变电压，其频率与变频器的输出频率相同，在取样电阻Ｒ上也可得到同样的电压信号（见图４所示检测网络中点不为零时的电流通路）。 虽然在检测网络中心点产生了与变频器输出频率相同的交变电压，但电压的平均值仍等于零。这是因为采用同一种PWM调制方法所获得的三相电压波形尽管不是完美的正弦波，但变化还是有规律的，由此获得的电压矢量和尽管不为零，变化也是有规律的。另外，这个交变电压的幅值与频率有关，频率越低、其幅值越大，这与低频段波形调制比较粗糙有关。但是频率很低时其周期时间较大，在半个周期时间内，中心点上就有电压。譬如，频率为10Hz时，其周期为100mS，那么50mS内这个中心点就存在电压信号，而且幅值很大。因漏电保护要求动作响应快，50mS的电压信号存在，足以使判断电路认为已经产生了漏电故障，从而产生误动作。所以我们将这种检测电路作了些改进。最直接的办法是加强检测电路的滤波能 力、降低电压信号的幅值，使正常情况时所得到的电压信号远小于漏电故障产生时的信号。图５为改进后的间接检测电路。由于交流变频器的输出电压中存在一系列高次谐波，它对直流通路的影响很大，所以，我们从取样电阻Ｒ上取得的漏电信号并非是简单的直流电压信 号，而是含有与交流变频器输出频率相同的脉动信号，实际上是正常情况时的交变电压信号与直流电压信号的迭加。图６为实际测量得到的交流变频器在50Hz、30Hz、20Hz、10Hz输出时取样电阻Ｒ上所取得的漏电信号波形。 我们通过对交流变频器各种频率输出和在各种漏电程度下的漏电信号波形记录进行分 析，发现这样两个特点： １、在同一种漏电程度下，即某一相对地的绝缘电阻为一定值时交流变频器输出不同的频率，在检测电路上所获得的所有漏电电压信号其平均值相等； ２、漏电电压信号的平均值大小与漏电程度即某一相对地的绝缘电阻大小成反比。 将取样电阻Ｒ上的漏电信号经过求平均值处理，再与允许值比较，当漏电信号超过允许值时立即驱动执行电路，通过变频器的急停控制电路使变频器停止运行。允许值的大小确定可以通过实测。当相对地绝缘电阻为允许临界值时（例如3.5KΩ），用直流电压表就可测出漏电信号值（即取样电阻Ｒ上的直流电压）。变频器的输出频率可以选50Hz，因为其它频率输出时，其漏电信号的平均值与50Hz输出时相同，而50Hz时的漏电信号脉动幅值较小，较容易测量。 三、实用的漏电保护电路 在实际应用中，漏电保护可分为两种情 况：一种是在工作电器上电前检测是否有漏电现象。如果对地漏电程度高于某一允许值（或者说对地绝缘电阻降低到某一允许值），则封锁工作电器的上电开关，这种保护称为漏电闭锁；另一种是电器在工作时发生对地漏电现象（或者说对地绝缘电阻降低）达到规定的不允许值时，立即使工作电器急停，这种保护也直接称为漏电保护。对于交流变频调速装置，它的漏电闭锁很容易做到，与一般电器的漏电闭锁完全一样。因为在交流变频调速装置未上电前的漏电检测完全是一种静态检测，此时变频器没有输出，所以丝毫不受其影响。 实用的漏电保护电路原理框图如图７所 示。这里需要注意的是信号处理和执行电路的响应时间。一般矿用电器漏电保护的动作响应时间要求小于250mS。而对交流变频器来说，如果在发生某一相对地短路时不能极快地作出保护动作，就可能引起功率开关器件的烧毁。因此漏电保护电路在保证检测和动作可靠的前提下，响应时间的快速是首先考虑的特性，否则就失去了该有的保护作用。对脉动信号的处理一般是采用平波电容。但由于漏电信号的脉动幅值随输出频率变化而变化，频率越低，幅值越大，所以要获得较平滑的漏电信号必须选用较大的平波电容。而电容选择大了，由RC电路动态响应的时间常数τ=RC可知，信号响应的时间必然就大，就与漏电保护所要求的响应时间快速相矛盾。为了解决这一矛盾我们采取了对平波电容预充电的办法。见图８。在正常状况时使平波电容保持有略低于允许值V的电压V，当漏电信号产生时，假定漏电信号的平均值为V，由RC电路的动态响应方程可知比较器的信号输入端A的变化: 这样漏电信号V由V上升到V的时间比由0上升到V的时间就要快得多，从而保证了检测和动作的快速性。 此漏电保护电路已在煤炭科学研究总院上海分院所生产的KBT80/380M矿用交流变频调速装置中使用，两年多来已取得了很好的效果。
