趙士永，王力偉

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司2.北京首鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司河北唐山 063020）

引言

一般在冶金行業(yè)中，大型同步電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用在制氧空壓機(jī)、氮壓機(jī)和高爐鼓風(fēng)機(jī)中。啟動(dòng)方式一般采用變頻啟動(dòng)和自耦降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)后可通過功率因數(shù)的調(diào)節(jié)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高廠區(qū)電網(wǎng)質(zhì)量和運(yùn)行效率。大型同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)問題會(huì)給電網(wǎng)帶來影響，甚至危害到公司電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和公司的生產(chǎn)系統(tǒng)。

1 故障概述

2020年8月份某鋼鐵廠制氧空分系統(tǒng)例行檢修，檢修同時(shí)對(duì)空分系統(tǒng)空壓機(jī)以及循環(huán)氮壓機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)西門子7UM62電機(jī)綜合保護(hù)裝置進(jìn)行更換。裝置更換完成后，空壓機(jī)開機(jī)一次并網(wǎng)成功，循環(huán)氮壓機(jī)在啟機(jī)過程中勵(lì)磁系統(tǒng)西門子7UM62綜合保護(hù)裝置報(bào)差動(dòng)故障以及逆功率故障，電動(dòng)機(jī)跳車并網(wǎng)失敗。西門子7UM62綜保裝置是西門子多功能微機(jī)保護(hù)裝置，主要應(yīng)用在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器的保護(hù)中。目前該公司制氧及鼓風(fēng)系統(tǒng)的大型同步電動(dòng)機(jī)保護(hù)基本上都應(yīng)用了該裝置。

2 原因分析

2.1 直接原因

該循環(huán)氮壓機(jī)所采用的電機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，開機(jī)啟動(dòng)過程采用變頻啟動(dòng)方式。因此在啟動(dòng)過程中需要閉鎖差動(dòng)保護(hù)以及逆功率保護(hù)功能，防止誤動(dòng)作影響電機(jī)正常啟動(dòng)。原因如下：

（1）傳統(tǒng)微機(jī)差動(dòng)保護(hù)是基于工頻運(yùn)行狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。變頻啟動(dòng)時(shí)，強(qiáng)制換流過程中變頻器輸入輸出電流相位沒有必然聯(lián)系，而且輸出電流頻率變化引起鐵芯暫態(tài)弱磁、飽和而進(jìn)入非線性區(qū)域，導(dǎo)致機(jī)側(cè)CT采樣誤差變大。因此常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)不能正確、可靠動(dòng)作。

（2）制氧空分氮壓機(jī)電機(jī)主回路設(shè)計(jì)，如圖1所示。

變頻啟動(dòng)回路：MBI2-MBC2-SDT-SFC-SUTMBM2-SYM。

并網(wǎng)回路：MBI2-MBC2-SYM。

差動(dòng)保護(hù)用互感器分別取自MBL2開關(guān)柜的T15以及電機(jī)中性點(diǎn)T18,在變頻啟動(dòng)過程中MBL2處于斷開狀態(tài)，因此T15不參與差動(dòng)保護(hù)，所以需要在啟動(dòng)過程中閉鎖差動(dòng)保護(hù)，防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

圖1 制氧氮壓機(jī)單線圖

（3）電機(jī)變頻啟動(dòng)過程中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式會(huì)由恒勵(lì)磁電流模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹愦磐Ｊ?；同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入正步微調(diào)控制前，電樞端電壓幅值、頻率處于波動(dòng)階段，因此導(dǎo)致電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和功角方向擺動(dòng)。當(dāng)功角θ為正，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)（電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反），電機(jī)處在發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，導(dǎo)致逆功率保護(hù)誤動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)曲線如圖2所示。

圖2 電機(jī)啟動(dòng)曲線圖

2.2 深度分析7UM62裝置問題

故障發(fā)生后電氣專業(yè)檢修維護(hù)人員搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)故障下線的7UM62綜保裝置進(jìn)行性能檢測(cè)。通過查看綜保矩陣點(diǎn)表可知，在電機(jī)變頻啟動(dòng)過程中，PLC向綜保裝置發(fā)送24 V電壓信號(hào)，閉鎖差動(dòng)以及逆功率保護(hù)功能，如圖3、4所示。

因此采用恒壓源代替24 V綜保閉鎖信號(hào)加入裝置BI6(K9、K10)點(diǎn)，如圖5所示。

圖3 差動(dòng)保護(hù)閉鎖設(shè)置圖（綜保矩陣點(diǎn)表）

圖4 逆功率保護(hù)閉鎖設(shè)置圖（綜保矩陣點(diǎn)表）

圖5 綜合保護(hù)裝置二次接線原理圖

利用綜保測(cè)試儀在裝置二次側(cè)模擬故障電流，進(jìn)行裝置閉鎖功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：無論是否輸入閉鎖信號(hào)，差動(dòng)及逆功率保護(hù)均可靠動(dòng)作。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，用同型號(hào)正常閉鎖裝置進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)裝置開關(guān)量輸入狀態(tài)變化，如圖6、7所示。在給定24 V電壓信號(hào)時(shí)，正常裝置的BI6開關(guān)量輸入可靠動(dòng)作閉合，故障裝置沒有變化，依然是斷開狀態(tài)。

圖6 可正常閉鎖的開關(guān)量輸入狀態(tài)點(diǎn)

圖7 不能閉鎖的開關(guān)量輸入狀態(tài)點(diǎn)

結(jié)論：判斷此臺(tái)7UM62電機(jī)綜合保護(hù)裝置閉鎖功能失效，所以啟機(jī)過程中報(bào)差動(dòng)故障以及逆功率故障導(dǎo)致啟機(jī)失敗。

2.3 管理原因

經(jīng)查此次更換的循環(huán)氮壓機(jī)7UM62綜保裝置，為2018年采購(gòu)的備件。此次啟動(dòng)失敗后公司要求西門子工廠進(jìn)行賠付，但經(jīng)西門子工廠查詢此序號(hào)綜保裝置不屬于西門子工廠正規(guī)渠道貨物，判斷為翻新機(jī)，不予賠付。綜保裝置在上線前相關(guān)專業(yè)人員對(duì)裝置軟件、硬件參數(shù)進(jìn)行配置、保護(hù)傳動(dòng)，但未對(duì)裝置閉鎖功能有效性進(jìn)行測(cè)試，致使缺陷裝置上線使用，暴露出專業(yè)、點(diǎn)檢人員對(duì)于進(jìn)口關(guān)鍵設(shè)備備件重視程度不夠，缺乏先期發(fā)現(xiàn)問題意識(shí)，是造成翻新機(jī)上線啟動(dòng)失敗的管理原因。

3 改進(jìn)及防范措施

（1）完善勵(lì)磁控制系統(tǒng)7UM62使用操作法，在上線前增加保護(hù)閉鎖功能測(cè)試環(huán)節(jié)。在以后的保護(hù)裝置更換工作中，除了軟件、硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置及相關(guān)保護(hù)傳動(dòng)等常規(guī)項(xiàng)目，還應(yīng)對(duì)裝置閉鎖功能進(jìn)行校驗(yàn)測(cè)試，確保運(yùn)用在重要大型同步電動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵備件的穩(wěn)定性。

（2）在重要和關(guān)鍵設(shè)備的備件更換前，對(duì)備件特別是代理商提供的備件要嚴(yán)格檢查測(cè)試，并要求采購(gòu)部門查明貨物來源及渠道，防止翻新產(chǎn)品上線造成影響設(shè)備運(yùn)行安全的情況發(fā)生。

（3）對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的綜合保護(hù)裝置，按《繼電保護(hù)及電網(wǎng)安全自動(dòng)檢驗(yàn)裝置》（DL/T995-2018）規(guī)定，使用年限達(dá)到12年全部進(jìn)行更換。

4 結(jié)束語

目前鋼鐵企業(yè)的大型鼓風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)組、燒結(jié)機(jī)等機(jī)組的大型同步電機(jī)保護(hù)裝置大都采用西門子7UM62綜保裝置，雖然裝置比較成熟先進(jìn)，但專業(yè)維護(hù)人員在精心維護(hù)保養(yǎng)的同時(shí)要對(duì)該裝置進(jìn)行深入細(xì)致的學(xué)習(xí)和研究，出現(xiàn)問題能迅速準(zhǔn)確查明原因，保證大型同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。