高 峰,王 博

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.設(shè)備部,上海 201900; 2.寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524072)

1 概述

隨著規(guī)模產(chǎn)能提升,冶金企業(yè)從冶煉到軋鋼各個工序大型旋轉(zhuǎn)電動機應(yīng)用數(shù)量越來越多。動力機械設(shè)備配置的最大電動機容量已經(jīng)達到了60 MW;軋鋼機械設(shè)備配置的電動機容量大多達到或超過10 MW,且電動機速度低,體積大,1臺電動機整體重近200 t。這些超大容量電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況嚴苛,核心部件繞組一旦發(fā)生故障,修復(fù)難度大。修復(fù)工期少則幾天,多則上月,因此,能夠針對大型電動機繞組制定快速、有效的應(yīng)急修復(fù)恢復(fù)方案,對減少設(shè)備停機時間、保證生產(chǎn)順行尤為重要。作者對某廠1臺大型交交變頻雙繞組同步電動機定子繞組故障實施了快速局部應(yīng)急修復(fù),效果良好。

2 電動機及傳動系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

某厚板廠精軋機主傳動系統(tǒng)主要由整流變壓器、傳動控制裝置和主電動機組成。每臺電動機由1臺三繞組整流變壓器供電,變壓器二次側(cè)繞組連接組別分別為Dd0和Dy5,互相錯開30°以減少高次諧波。變頻器采用西門子SIMOVERT-D交交變頻裝置,SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)。主電動機采用西門子隱極式同步電動機,電動機型號1DQ5651-8DA08-Z,雙繞組結(jié)構(gòu)型式。傳動系統(tǒng)主要參數(shù)如下。

(1)整流變壓器額定容量:16 300/2×8 150 kVA;

(2)二次側(cè)額定電壓:1 180 V;

(3)二次側(cè)額定電流:2×3 987.6 A;

(4)變頻器總額定容量:18 400 kVA;

(5)單相變頻器額定輸入電流:2 950 A;

(6)變頻器輸出電壓:0～1 700 V;

(7)單相變頻器額定輸出電流:3 600 A;

(8)變頻器輸出頻率:0～19.2 Hz;

(9)電動機額定容量:9 000 kW,峰值功率22 500 kW;

(10)電動機額定電壓:2×857 V;

(11)電動機額定電流:2×1 818 A;

(12)電動機轉(zhuǎn)速:60/120 r/min。

作為路由算法重要的衡量指標，在不同的場景下，分別比較了包的遞交率，端到端的平均延時時間以及包的平均跳數(shù).根據(jù)以上的3個指標，比較了所提出的路由算法以及GPSR和SLBF路由算法.這3個算法都是基于地理位置的端到端的路由算法.唯一不同的是，SLBF是一種基于廣播方式的路由算法，利用定時器來找出下一跳的路由節(jié)點.而提出的算法和GPSR路由算法類似，也是通過間隔一段時間去廣播hello數(shù)據(jù)包或者是根據(jù)hello數(shù)據(jù)包來更新自己的鄰居表.

三線圈變壓器2個二次側(cè)線圈分別給電動機的2套繞組供電,變頻器結(jié)構(gòu)上三相完全分開,每相是完全獨立的單相變頻器。每臺單相變頻器分別獨自控制電動機一相繞組,1臺電動機合計6臺單相變頻器供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電動機繞組結(jié)構(gòu)

大型軋鋼電動機因容量大、過載倍數(shù)高,在容量上單個變頻器往往無法滿足供電要求。為此,變頻器往往是2個或3個并聯(lián)。電動機也相應(yīng)地制造成雙繞組或三繞組型式。故障電動機為隱極同步電動機,電動機總重176 t。定子192槽,16極,電動機定子繞組嵌線參數(shù)見表1。電動機繞組聯(lián)接方式可以看作是星點打開的Y/Y雙繞組結(jié)構(gòu)型式,如圖2所示。繞組三相分開,電氣上無連接。2套繞組間無相位差,每套繞組為同極性的8極8支路并聯(lián),每個并聯(lián)支路只有1個極相組,每個極相組由4只線圈串聯(lián)。其中1套繞組聯(lián)接全部為N,另外1套繞組聯(lián)接全部為S,2套繞組共同組成電動機16極。每套繞組三相頭、尾匯流環(huán)分別布置在定子鐵心兩側(cè),每側(cè)6個合計12個匯流環(huán)。

表1 定子繞組嵌線數(shù)據(jù)

圖2 定子繞組Y/Y接線圖

3 故障修復(fù)

3.1 故障情況

精軋機下輥電動機在正常運行過程中,主傳動變頻器報電動機單相過流故障,系統(tǒng)保護跳電。查看PDA波形,下輥電動機勵磁電流及磁通波動較大。最終電動機開罩檢查發(fā)現(xiàn)定子1套繞組中B1相1個極相組中的2只線圈絕緣碳化,線匝導體熔損,匝間嚴重短路,故障情況圖3。

圖3 電動機繞組故障

在電動機修理中,除了繞組引線、過橋等局部損壞更換外,電動機繞組本體短路、接地,通常做法繞組全部需要重繞更換大修。故障電動機2只定子線圈已經(jīng)嚴重燒損,且燒損部位在線圈的鼻頭和下層邊,電動機廠商技術(shù)服務(wù)及電動機修理單位均表示電動機定子需要更換全部線圈大修,且修復(fù)工期至少25天。

3.2 修復(fù)方案確定

成型線圈的電動機繞組損壞不是特別嚴重的情況下,掌握熟練的操作技能,一般可以采取以下兩種快速修復(fù)做法。

3.2.1 局部更換線棒

對于定子上層邊線圈(面線)直線段損壞的,可以采用在線圈兩端斜邊處“截肢”掉故障線棒,再重新繞制新線棒“嫁接”回去的局部更換線棒修復(fù)方案,如圖4。這種做法對修復(fù)后的電動機性能沒有影響,但操作技能要求高,尤其是線圈每匝導線的對接焊及匝間絕緣處理要求精細。本次電動機故障為下層線圈(底線)損壞,由于線圈在鐵心槽里是上下層布置,更換下層邊線圈,需將一個節(jié)距的上層邊線圈抬起。這種做法對被抬起上層邊線圈破壞性大,工作量也大,一般不采用。

圖4 定子線棒局部更換

3.2.2 甩線圈

圖5 繞組甩線圈

甩線圈會導致電動機每相串聯(lián)回路中繞組匝數(shù)W減少。根據(jù)定子繞組感應(yīng)電勢的公式:E=4.44fWΦKdp1,若感應(yīng)電動勢E不變,W減少,則氣隙磁通Φ增加,則電動機的空載電流增大?？蛰d電流增大值可以按照以下公式估算:

(1)

式中:I0、I′0分別為甩線圈前、后的電動機空載電流,A;W0、W′0分別為甩線圈后電動機每相串聯(lián)匝數(shù)或線圈數(shù),N。

一般情況下,串聯(lián)回路中甩線圈做法會使修復(fù)后的電動機空載電流增加。電動機在原額定電流下,出力有所下降;在拖動負載不變情況下,修復(fù)后的電動機負荷電流將升高,溫升增加。因此,這種應(yīng)急修復(fù)方案一般不適合負載率高、電動機溫升接近極限以及多并聯(lián)支路的電動機。

3.2.3 修復(fù)方案選擇

這臺電動機由6臺變頻器分別控制電動機Y/Y雙繞組的每一相繞組,電路上Y/Y及相間不聯(lián)通。從電動機一相的繞組接線圖6可以看出,若將電動機B1相中1條并聯(lián)支路中2只故障線圈截除,為保持支路與相間平衡,需對稱地將另外7條支路預(yù)計其他相中對應(yīng)的線圈的截除。這樣會減少大量線圈,導致電動機參數(shù)變化巨大無法正常運行;若按圖中所示將B1相故障損壞的1條并聯(lián)支路極相組4只線圈全部截除,則B1相剩余7條并聯(lián)支路平衡無環(huán)流,剩余并聯(lián)支路的感應(yīng)電動勢及磁通基本不變,只是甩掉的極相組區(qū)域的三相合成磁勢減小。且由于電動機其他相繞組電氣上無聯(lián)接,且每相繞組單獨供電自成回路,B1相1個極相組缺失的磁勢變化對電動機整體旋轉(zhuǎn)磁場影響也很小。因此,這臺電動機適合采取將故障極相組線圈全部截除甩掉的應(yīng)急局部修復(fù)方案。

圖6 定子一相(B相)繞組接線圖

3.3 方案實施

該電動機所有極相組線圈的頭、尾過橋引線都并接在端部匯流環(huán)上。直接剪斷故障極相組線圈并接的過橋引線,就甩掉了短路接地線圈。同時為了避免甩掉故障線圈內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流,需要清除、剪斷線圈熔損短路部分。將熔損的線圈導線剪切至匝間絕緣完好的部分,如圖7所示。對故障線圈周圍主絕緣受損的其他線圈進行絕緣加強處理。清理線圈表面碳化絕緣,繞包滌綸收縮帶,刷速干型環(huán)氧樹脂并用熱風烘干來加強絕緣。由于截斷甩掉的線圈在電動機運行中仍會感應(yīng)電壓,對線圈剪切截面進行絕緣包扎,封涂環(huán)氧膠。

圖7 繞組甩線截除

3.4 保護定值優(yōu)化

考慮B相極相組線圈截除可能導致電動機電流不平衡等問題,對主傳動變頻器中電動機相關(guān)保護定值進行優(yōu)化修改,避免主傳動跳電及損壞。變頻器控制參數(shù)做如下調(diào)整:

(1)增大電流不平衡報警閾值,將電動機電流不平衡報警閾值p5974.0=8%調(diào)整至12%,電流不平衡故障閾值p5974.1=12%調(diào)整至15%。

(2)減小變頻器輸出電流限幅,將軟件電流限幅p6920=130%調(diào)整至120%,硬件電流限幅p6921=140%調(diào)整至130%。

4 修復(fù)效果檢驗

4.1 電氣試驗

對修復(fù)后電動機定子繞組進行了絕緣電阻、直流電阻、定子線圈交流耐壓(2 100 V、1 min)等電氣試驗。除故障的B1相直流電阻相對超標外(詳見表2),其他指標均滿足國家標準和使用要求。

表2 故障繞組修復(fù)后直流電阻值

按照計算,B1相繞組由8路并聯(lián)變?yōu)?路并聯(lián),則相電阻R1=8.982×8/7=10.27 mΩ。電動機繞組直流電阻值真實反映了減少1條支路的實際情況。

4.2 參數(shù)監(jiān)測

電動機修復(fù)后,通過筆錄儀對電動機實際運行電壓和電流進行監(jiān)測記錄,波形如圖8,其中綠色為B1相。波形顯示,去掉一個極相組的B1相與其他五相的電壓和電流波形幅值、周期等幾乎相同。軋制過程中,跟蹤查看電動機其他參數(shù),電樞電流不平衡值幾乎沒變,未觸發(fā)電流不平衡報警,也未有電流大幅增加等情況;電動機勵磁、磁通波形正常,速度反饋跟隨性也很好,說明修復(fù)后電動機運行參數(shù)、性能基本沒有影響。

圖8 電壓和電流記錄

4.3 繞組溫升檢查

為跟蹤檢查電動機“缺相”可能導致電動機相電流不平衡從而影響繞組溫升,同時監(jiān)視故障點附近線圈溫度變化情況,電動機修復(fù)完成后,在修復(fù)點附近增加了1個PT100測溫元件,并將該測溫元件信號接入PLC,與電動機原有繞組溫度一同對比觀測。表3是電動機投入軋鋼運行12 h內(nèi),每小時對電動機定子溫度進行跟蹤記錄。結(jié)果顯示電動機三相繞組運行正常,三相溫度平衡穩(wěn)定,在正常范圍內(nèi)。

表3 繞組線圈溫度

4.4 振動檢查

對修復(fù)后投入運行的精軋下輥大電動機進行了振動檢查。在軋機咬鋼后相對穩(wěn)定的工況下,測量電動機軸承座振動的實際情況見表4。測點1～4分別是上輥電動機非負荷側(cè)、負荷側(cè)軸承座,下輥電動機非負荷側(cè)、負荷側(cè)軸承座。由表中數(shù)據(jù)可見,下輥電動機修復(fù)前、后對比,并與上輥電動機相比,振動無明顯變化并在良好范圍內(nèi)。說明B1相甩掉1個極相組線圈的轉(zhuǎn)矩脈動導致的電磁力振動影響不大。

表4 電動機振動值

5 結(jié)論

大型電動機繞組損壞故障可以采取局部或應(yīng)急修復(fù)方案以減少故障停機時間。對于交交變頻雙繞組相間不聯(lián)接的多路并聯(lián)的電動機,定子繞組任何一處線圈故障,都可以采取直接將故障線圈所在極相組全部截除以排出故障點。且由于電動機極數(shù)多,并聯(lián)支路數(shù)多,無需也不能按照對稱法進行“甩線圈”。文中實踐證明,這類電動機去除一極一相的極相組線圈,并不會導致明顯可見的電路、磁路不平衡,也未見明顯影響電動機運行參數(shù)性能變化的問題。