VPSF变频试验装置输入电源的改进

摘　要：VPSF变频试验装置的控制系统是变频谐振系统的心脏模块，一组交流220V单相电源是这颗心脏的原动力，本文通过分析这组交流220V常规接法下的安全隐患，寻找出一种行之有效的保安措施，来保护人员和设备的安全。

关键词：二次回路；漏电保护器；中性线N；保护接地；

1．问题的提出
　　VPSF变频串联谐振试验装置（以下简称试验装置）是普遍用于电力、冶金、石油、化工等行业110kV电缆、变压器、互感器等电气耐压的试验装置。VPSF变频串联谐振试验方法是根据串联谐振的原理[1]，通过改变试验回路的试验频率，使得回路的串联电抗器的电感L和试品的电容Ck发生串联谐振，谐振电压就是加在被试电气设备的电压。由于试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源供给的能量仅为回路中消耗的有功功率，为试品容量的1/Q(Q为回路的品质因数)。因此试验装置的电源容量很小，使得装置本身的重量轻便。所以，装置的轻便性和实用性都是传统工频耐压装置所无法比拟的。
　　三相桥式连接变频器的作用是将三相主电源电压转换成为可调幅方波电压。通过主回路开关取得三相线电压传送到6脉冲转换器整流，然后提供给电容组。方波输出电压由转换桥以需要的输出频率产生，输出电压的有效值通过调整脉冲宽度实现无级可调。
　　试验装置控制系统是变频谐振系统的核心模块，包含了所有的电子及控制回路，它集中放在控制柜中，试验装置的操作屏在控制柜的上方，操作人员通过控制柜可以控制所有的功能及读取最新的测量值(电压、频率、电流)，以及显示系统的运行状态。所有的控制信号由微处理器产生，在它的控制下系统产生一个预设频率，或者自动将输出频率调整到谐振频率，以达到用小电流低电压来控制大电流高电压的目的。
　　由于控制系统需要220V的单相电源[2]，这就需要从三相线电压中抽出其中一相和中性线N组成一组电压，供给控制系统的微处理器和其他相关的二次回路工作电源及控制电源。而三相桥式连接变频器则仍然需要三相线电压，这种接线方式就会造成当试验装置的主电源合闸后，交流380V的其中一相电流会经过试验装置的二次回路及地流回变压器的中性线N，则在漏电保护器的内部回路中就表现为线路单相接地而动作漏电保护器分闸，从而造成VPSF变频试验装置无法工作。
　　所以在实际的接线过程中，试验人员往往会绕过漏电保护器接电，这种接线方式能够正常操作试验装置，但是却造成了试验装置设备和操作人员的安全隐患，比如：
　　（1）当输入的电源线或试验装置发生单相接地短路时，由于没有漏电保护器的保护而不会动作分闸，造成三相电压不平衡，使试验装置无法正常工作，长时间电源单相接地还可能会引起火灾等事故。
　　（2）如果在试验工作中发生人员单相触电事故，由于没有通过漏电保护器，只能靠空气开关、熔断器等保护电器动作分闸，而它们动作电流比漏电保护器大的多，动作有一定的延时，而不能可靠和迅速的切断，造成人员伤亡事故。
　　（3）如果输入电源是从临时的配电变压器引入，还可能会因为试验装置的接地点与配电变压器的接地点之间的接地电阻大而造成试验设备二次回路电压过低而无法正常启动。
2．漏电保护器动作原理[3]
　　为能说明这个问题，需要介绍一下漏电保护器的动作原理。下面就漏电保护器在供电系统中的工作原理。
　　图1是三相四线制供电系统的漏电保护器工作原理示意图。TA为零序电流互感器，QF为主开关，TQ为主开关的分励脱扣器线圈。在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电的情况下，由基尔霍夫定律可知，通过TA一次侧的电流相量和IΣ等于零，这使得TA铁芯中的磁通的相量和ФΣ也等于零。这样TA 的二次侧不产生感应电动势，漏电保护器不动作，系统保持正常供电。

                                  
　　当被保护电路发生漏电或有人触电时，由于漏电电流的存在，通过TA一次侧各相电流的相量和IΣ不再等于零，产生了漏电电流IX ，这使得TA铁心中的磁通相量和ФΣ也不再等于零，相应的产生了漏磁通ФX ，此时在铁心中也就出现了交变磁通。在交变磁通作用下，TQ二次侧线圈就会产生感应电动势，此漏电信号经中间环节进行处理和比较，当达到预定值时，使主开关分励脱扣器线圈TQ通电，驱动主开关QF自动跳闸，切断故障电路，从而实现保护。
3．VPSF变频试验装置输入电源改进方法
　　根据上述的VPSF变频试验装置的输入电源情况分析，最主要的问题在于220V单相电源的中性线N的接线方式，如果把交流380V三相电源接在漏电保护器的下桩头，中性线N直接接地，就会造成漏电保护器误动作。而把交流380V三相电源绕过漏电保护器接在闸刀的下桩头，虽然变频试验装置能够正常的工作，负荷电流过大或者发生相间短路也能正常切断输入电源，但是在输入电源或试验装置发生单相接地和人员发生触电事故的时候，都不能正常动作分闸，造成了设备和人身的事故隐患。所以试验装置的输入电源需要做一定的改进。
　　⑴要保证漏电保护器能够被接入输入电源的回路中，这就需要把中性线N与保护接地分开，把交流380V三相电源和中性线N都从漏电保护器下桩头接入到VPSF变频试验装置的电源侧，使整个220V单相回路不通过大地构成环流。这里还需要说明的就是中性线N相也必须保持和其他三相380V电源同等的对地绝缘水平，这是因为如果回路发生单相接地，根据变压器绕组Y型接法，其接地相的电压为零，其他两相的电压升为线电压，此时中性点会发生漂移，中性线N对地就会产生一定的电压，故中性线N也必须具备一定的绝缘。
　　⑵由于电源回路的中性线N与试验装置操作箱绝缘了，如果在试验过程中高压回路发生击穿，高电压串入到低压回路中，就会使试验装置外壳带电，危及试验人员的生命安全，所以还需要在试验装置操作箱外壳上安装直接接地点，把保护接地线直接接在这个接地点上。同时为了保持操作箱内的电位稳定和和保护电子元器件的安全，还必须将试验装置操作箱内部的接地点统一引到操作箱外壳上的接地点上接地。
　　通过以上的两点对VPSF变频试验装置的电源改进，使试验装置既能在正常的情况下安全的使用，也能在发生单相接地事故、相间短路事故等事故中可靠的切断电源。保证了工作人员的生命安全和设备的安全。
　　
参考文献:
[1] 蔡翊涛。变频串联谐振试验方法的应用。《变压器》2005年第10期。
[2] 郑凤翼，杨洪升。怎样看电气控制电路图。北京：人民邮电出版社，2003，4(2):32
[5] 马剑。浅谈漏电保护器的工作原理和应用。《机械与电子》2007年第8期。