河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司 陳光遠 羅 敏 鄭 明 李雪生

0 引言

軟啟動器(全文簡稱軟啟)于上世紀70年代末初投入市場。因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本適中、啟動平滑等特點，廣泛應用與工礦企業(yè)中。司家營研山鐵礦內(nèi)軟啟設(shè)備采用AB公司的SMC-Flex Bulletin 150系列軟啟動器，其模塊化設(shè)計、集成化I/O端子等特點極大的簡化了安裝接線和控制結(jié)構(gòu)，軟啟控制單元全系列通用，更換方便快捷，擁有數(shù)據(jù)鍵值和診斷功能，能極大的節(jié)省維修時間。

1 故障研究背景及意義

司家營研山鐵礦與2011年3月31日投產(chǎn)，碎礦產(chǎn)線內(nèi)軟啟設(shè)備在投入使用初期運行穩(wěn)定、狀態(tài)良好，但在投入運行一年左右開始陸續(xù)出現(xiàn)無負載類故障停機，實際故障為A、B、C隨機某相或全部（故障代碼16、17、18或40）無負載故障，經(jīng)檢查負載情況已排除用戶手冊中給出的故障原因。此類故障間歇出現(xiàn)，將故障復位后能再次啟車，隨著時間的推移，故障間隔越來越短，在不更換軟啟功率單元的情況下只更換控制單元能使故障暫時消失，但是經(jīng)過數(shù)月時間運行后，故障又會再次出現(xiàn)。特別值得注意的是2017年下半年供電部門，將電壓允許范圍調(diào)大后（仍在規(guī)定標準以內(nèi)），此類故障猛增，最多時達到三個配電室4臺軟啟同時報無負載故障。

故障出現(xiàn)時造成相關(guān)流程設(shè)備重載連鎖停車，重載啟動造成的機械耗損和對電網(wǎng)沖擊違背軟啟設(shè)計初衷，而故障停車造成的皮帶堵料、壓料，需要大量人力物力進行清理，嚴重影響正常生產(chǎn)，車間內(nèi)軟啟設(shè)備共計41臺，至2018年初，更換的軟啟控制單元已達20余個，備件成本消耗巨大，該問題嚴重制約生產(chǎn)又占用大量備件費用。經(jīng)過查詢考證，采用同類設(shè)備的其他車間乃至其他企業(yè)也有此類故障，如能解決將受益廣泛。

2 故障機理分析

以2016年初干選2-2皮帶多次報無負載故障為例，發(fā)現(xiàn)每次故障都是在夜間出現(xiàn)，且多次是在干選2-2運行平穩(wěn)后，啟動干選2-1時干選2-2報故障，因為兩個軟啟在一個控制柜內(nèi)，干選2-2為干選2-1的下級皮帶，且干選2-1為200KW電機，功率較大，啟動時有明顯震動，在排除線路原因后，最開始認為可能是震動導致故障出現(xiàn)，然而嘗試人工震動柜子并不能誘發(fā)故障。結(jié)合加裝記錄儀中的錄像文件和監(jiān)控畫面電流趨勢圖，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時軟啟先是停止然后再次啟動，之后馬上報出無負載故障，期間啟動繼電器和制動抱閘接觸器一直處于吸合狀態(tài)。

（1）軟啟報無負載故障原因分析：電機運行中突然斷電而制動抱閘不斷電，電機會因慣性繼續(xù)運轉(zhuǎn)，且電機與負載連接處的液力耦合器會延長電機慣性運動時間。結(jié)合軟啟動器原理，軟啟啟動階段晶閘管導通角逐步增大，電壓逐步增加到工頻電壓。停機后再次啟動的瞬間，軟啟輸出電壓低，而工頻下處于接近額定轉(zhuǎn)速下的電機阻抗較大，使軟啟輸出電流過低導致軟啟認為未接通負載報出無負載故障。經(jīng)試驗斷開啟動信號后立即接通同樣可報出無負載故障，而斷開數(shù)秒后再次接通時，軟啟只是停止后正常啟動，沒有故障報出。

（2）停車再起動原因分析：設(shè)備運行時控制回路處于PLC遠程控制狀態(tài)，遠程啟動信號繞過手動按鈕和自鎖點長期閉合，PLC程序設(shè)定檢測到設(shè)備運行反饋丟失后延時數(shù)秒才輸出停車信號，因此故障發(fā)生期間軟啟啟動信號輸入端一直處于得電狀態(tài)。針對上述情況考慮是啟動信號不能進入軟啟控制單元內(nèi)部邏輯的原因，控制軟啟啟動的信號電壓為220V，接入控制單元16、17號端子，要變成電路中可用的邏輯電平信號必然需要降壓或隔離。據(jù)此將拆回的故障控制單元拆開，根據(jù)電路板上的電路走向，推測內(nèi)部結(jié)構(gòu)為常見的阻容降壓電路。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)相關(guān)電路上品牌為RIFA的330nf和150nf的金屬化薄膜電容衰減較大，兩種電容誤差等級M（20%），拆下后直接測量330nf的電容只剩下187nf，誤差達44%，150nf的電容只剩下47nf，誤差達69%。電容容量降低后，容抗增大，導致電路降壓過度，此時電壓波動至低谷就會輸入端電流不足以維持啟動信號造成停機，電壓恢復后就會再啟動，隨著電容容量的不斷降低，所能承受的電壓波動范圍越來越小繼而故障越來越頻繁。干選車間出現(xiàn)故障是處于夜間，電壓相對較低，干選2-1又是大功率設(shè)備，啟動時電流大進一步拉低變壓器二次側(cè)電壓，導致干選2-2出現(xiàn)無負載故障。2017下半年較故障頻發(fā)時查看高壓側(cè)電壓趨勢圖，故障時段電壓確實有瞬時低谷，通過對衰減的金屬化薄膜電容進行更換后修復了一批控制單元，經(jīng)過試驗后可再次投入使用。

圖1 拆解的薄膜電容自愈點放大圖（左）和整體圖片（右）

（3）金屬化薄膜電容失效分析：影響金屬化薄膜電容容值變化的原因很多，如溫度、工作電壓、制作工藝、諧波等，正規(guī)廠家生產(chǎn)的薄膜電容壽命一般在5-8年，出現(xiàn)快速衰減的情況一般受工作環(huán)境影響較大，結(jié)合相關(guān)資料，認為電容失效的原因主要有兩個，一是因制作工藝限制，膜層之間存在微量的空氣，工作時在電場作用下被電離，產(chǎn)生強氧化劑-臭氧，金屬鍍層被臭氧氧化后生成不導電的金屬氧化物，實際表現(xiàn)為極板面積減小，電容容量下降，如薄膜電容密封不嚴則會加快氧化，上述故障不是特例，且電容衰減嚴重，而AB公司對控制單元電路板都噴涂了三防漆，也可基本排除因密封不嚴導致外部空氣進入的原因；二是金屬化薄膜的自愈性特點，即在介質(zhì)絕緣不好或者疵點處極板間放電造成金屬鍍膜蒸發(fā)形成空白區(qū)域恢復絕緣，如果自愈點過多或連續(xù)出現(xiàn)，實際表現(xiàn)也為極板面積減小，容量下降，自愈不好還會導致金屬噴金層部分或整體脫落。經(jīng)拆解失效的電容發(fā)現(xiàn)自愈現(xiàn)象十分嚴重。

（4）薄膜電容短時大量自愈原因分析：除生產(chǎn)工藝原因外金屬化薄膜電容極板間發(fā)生放電自愈的條件主要有兩個，尖峰電壓和金屬化膜絕緣老化。尖峰電壓多源于諧波產(chǎn)生的局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，嚴重時會造成電子設(shè)備過電壓、過電流損壞，同時諧波造成供電頻率增大，較大的輸出電壓變化率（dv/dt）又會導致電容介質(zhì)損耗增加，加速絕緣老化，與尖峰電壓共同作用導致更多區(qū)域發(fā)生放電自愈，局部放電又會引起絕緣介質(zhì)劣化，兩者惡性循環(huán)導致金屬化薄膜電容頻繁自愈、迅速失效。因條件有限，僅可用示波器測量大功率軟啟啟動階段的單相電壓波形，發(fā)現(xiàn)波形在啟動開始時明顯雜亂、畸變嚴重，之后逐漸平穩(wěn)至正弦波形，證明此時電網(wǎng)含有大量諧波污染。

包含整流裝置的軟啟、變頻器、UPS、乃至弧焊機等非線性負載都是諧波源，公司內(nèi)變頻器輸入輸出端一般都有電抗器可以有效抑制諧波污染，軟啟因一般只在啟動階段會產(chǎn)生諧波未予安裝，工廠內(nèi)軟啟控制單元設(shè)計為直接與工頻電壓相連，中間沒有隔離設(shè)施，同一變壓器二次側(cè)非線性負載產(chǎn)生的諧波可直接作用在控制單元輸入端的薄膜電容上。干選配電室有十臺軟啟設(shè)備且有四臺小功率變頻器未安裝電抗器，因此故障率明顯高于其他軟啟設(shè)備較少的配電室。

3 解決方案

根據(jù)現(xiàn)場用電情況，軟啟只在啟動階段產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)危害不大，因此對軟啟輸入輸出端加裝電抗器意義不大且成本較高。經(jīng)過對比分析，EMI電源濾波器是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，作用是允許設(shè)備正常工作時的頻率信號進入設(shè)備，而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用，已廣泛應用于電子設(shè)備電源輸入端，如車間內(nèi)的金屬探測器控制箱內(nèi)就有此設(shè)備，體積小、價格低、方便安裝，應用在軟啟控制單元供電處可以有效抑制諧波進入控制單元，保護電子元件，提高設(shè)備壽命。經(jīng)初步改造，試運行兩個月后，試驗設(shè)備中的薄膜電容沒有衰減。目前已完成破碎產(chǎn)線內(nèi)所有軟啟改造。

4 結(jié)論

諧波污染是軟啟無負載類故障的根本原因，這和設(shè)計之初控制回路未按軟啟手冊安裝隔離變壓器有關(guān)，此外操作員啟動設(shè)備時應注意流程避免短時啟動大量軟啟導致諧波大量產(chǎn)生。此類故障在非慣性負載上可能表現(xiàn)為無故障停車，企業(yè)應重視諧波污染對電子設(shè)備的損害。