某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障分析

魏昌淼，臧 軍，李沛澤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)過程較復(fù)雜，是燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工作的一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)，也是易產(chǎn)生各類故障的一個(gè)環(huán)節(jié)[1,3]。燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)過程根據(jù)轉(zhuǎn)速上升情況，一般可以分為三個(gè)階段[2-4]。第一階段為冷態(tài)加速階段，起動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、升速至燃料點(diǎn)火所需轉(zhuǎn)速。第二階段為點(diǎn)火脫扣階段，機(jī)組點(diǎn)火、燃料開始著火，渦輪開始做功，渦輪做功出力逐漸增大、起動(dòng)設(shè)備出力逐漸減小，機(jī)組轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，直至起動(dòng)設(shè)備脫扣。第三階段為熱態(tài)加速階段，起動(dòng)設(shè)備脫扣退出工作后，渦輪繼續(xù)增加做功為機(jī)組轉(zhuǎn)速上升提供功率，轉(zhuǎn)子升速直到空車轉(zhuǎn)速為止。

本文針對(duì)的某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)過程冷態(tài)加速階段提供出力的是三臺(tái)三相異步起動(dòng)電機(jī)。起動(dòng)電機(jī)能否穩(wěn)定工作決定了燃?xì)廨啓C(jī)能否正常起動(dòng)，在該型燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)多次故障，致使起動(dòng)電機(jī)無法按照既定程序?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)提供冷態(tài)加速出力，從而嚴(yán)重影響了燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)異步電機(jī)故障診斷，很多學(xué)者也做了大量的相關(guān)研究[5-6]。

1 某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)電機(jī)工作原理

某型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)冷態(tài)加速階段由3臺(tái)三相異步電機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行人員按下起動(dòng)按鈕后，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)指令給1#起動(dòng)電機(jī)控制箱內(nèi)PLC，1#起動(dòng)電機(jī)控制箱PLC按照既定邏輯程序，分別控制3個(gè)起動(dòng)電機(jī)控制箱，從而使三臺(tái)起動(dòng)電機(jī)按照既定的程序依次投入工作。起動(dòng)電機(jī)控制箱主電路如圖1所示，起動(dòng)電機(jī)控制箱控制電路如圖2所示。

圖1 控制箱主電路

通過控制控制箱內(nèi)各接觸器閉合及斷開，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電機(jī)依次投入工作，并實(shí)現(xiàn)雙速轉(zhuǎn)換。如圖2所示，PLC發(fā)出起動(dòng)電機(jī)一速開關(guān)量指令到I/01，KA1回路直流24V控制電接通，繼電器KA1閉合回路交流380V控制電接通，繼而KM1接觸器閉合，380V工作電接通起動(dòng)電機(jī)，起動(dòng)電機(jī)一速開始工作；5秒后，PLC發(fā)出起動(dòng)電機(jī)一速加速開關(guān)量指令到I/02，KM2接觸器閉合、短接R1電阻實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電機(jī)一速加速。

如圖2所示，燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到冷態(tài)一速后，PLC斷開一速指令，發(fā)出起動(dòng)電機(jī)二速開關(guān)量指令到 I/03、I/04，KA3、KA4回路直流24V控制電接通，繼電器KA3、KA4閉合回路交流380V控制電接通，繼而KM3、KM4接觸器閉合，380V工作電接通起動(dòng)電機(jī)，起動(dòng)電機(jī)線圈結(jié)構(gòu)由Δ型轉(zhuǎn)變?yōu)閅Y型，，起動(dòng)電機(jī)二速開始工作，如圖3所示；5秒后，PLC發(fā)出起動(dòng)電機(jī)二速加速開關(guān)量指令到I/02，KM2接觸器閉合、短接R1電阻實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電機(jī)二速加速。

圖2 控制箱控制電路

圖3 Δ-YY雙速圖

起動(dòng)電機(jī)經(jīng)過二速工作，將燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)至燃燒室點(diǎn)火所需要的轉(zhuǎn)速，此后渦輪開始做功，渦輪及起動(dòng)電機(jī)同時(shí)出力帶動(dòng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)電機(jī)按照既定程序斷開二速指令，撤出工作。

2 某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障案例

起動(dòng)電機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程提供最初始的能量來源，密切關(guān)系著燃?xì)廨啓C(jī)能否正常起動(dòng)。本型燃?xì)廨啓C(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)過多次起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障，本文總結(jié)典型的起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障案例如下文所述。

2.1 起動(dòng)邏輯故障案例

該型某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)在備車完畢后，按運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行起動(dòng)前的首次冷吹，運(yùn)行人員按下冷吹按鈕，起動(dòng)電機(jī)電流上升，機(jī)組轉(zhuǎn)速緩慢上升，在7秒鐘左右，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)面板突然發(fā)出“起動(dòng)電機(jī)邏輯故障”的報(bào)警信息，隨后控制系統(tǒng)發(fā)出燃?xì)廨啓C(jī)緊急停機(jī)保護(hù)報(bào)警。

這是一起典型的由于該型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)電機(jī)邏輯故障，直接導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)失敗的故障。

上述燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)失敗后，運(yùn)行人員進(jìn)行以下分析及檢查：

1) 查詢?nèi)細(xì)廨啓C(jī)控制邏輯圖，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)電機(jī)一速指令未收到接觸器KM1吸合反饋的ER310信號(hào)或燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)電機(jī)加速指令未收到接觸器KM2吸合反饋的ER330信號(hào),或燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)電機(jī)二速指令未收到接觸器KM3/KM4吸合反饋的ER320信號(hào)，控制系統(tǒng)發(fā)出“起動(dòng)電機(jī)邏輯故障”報(bào)警并執(zhí)行燃?xì)廨啓C(jī)緊急停機(jī)程序。由此運(yùn)行人員判斷此次緊急停機(jī)是由于某接觸器未吸合故障而引起。

2) 查詢此次起動(dòng)失敗起動(dòng)電機(jī)電流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1#起動(dòng)電機(jī)電流存在異常，如圖4所示。從此次異常數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比可看出1#起動(dòng)電機(jī)電流在一速加速過程階段突然丟失，判斷1#起動(dòng)電機(jī)控制箱內(nèi)KM2接觸器可能存在吸合故障。

圖4 1#起動(dòng)電機(jī)冷吹電流數(shù)據(jù)

3) 打開1#起動(dòng)電機(jī)控制箱箱蓋，再次冷吹燃?xì)廨啓C(jī)并同時(shí)觀察KM2接觸器吸合情況。冷吹指令發(fā)出后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速緩慢上升，觀察發(fā)現(xiàn)KM2接觸器吸合后自行彈開，燃機(jī)執(zhí)行停機(jī)保護(hù)程序。

4) 更換1#起動(dòng)電機(jī)控制箱內(nèi)KM2接觸器，更換KM2接觸器后，后續(xù)燃機(jī)起動(dòng)恢復(fù)正常。

由此可歸納為這是一起起動(dòng)電機(jī)控制箱內(nèi)接觸器吸合異常引起的起動(dòng)失敗故障。

2.2 Δ-YY轉(zhuǎn)換故障案例

該型某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)在備車完畢后，按要求進(jìn)行起動(dòng)， 3臺(tái)起動(dòng)電機(jī)分別依次投入一速、二速工作后，燃機(jī)轉(zhuǎn)速較歷史值偏低，運(yùn)行人員手動(dòng)緊急停機(jī)。

上述燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)后，運(yùn)行人員進(jìn)行以下分析及檢查：

1) 查詢運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1#起動(dòng)電機(jī)電流值較歷史值偏低，如圖5所示。

2) 檢查1#起動(dòng)電機(jī)控制箱內(nèi)各線路連接情況，發(fā)現(xiàn)1#電機(jī)控制箱內(nèi)與KM3接觸器連接的3相電線路有一相存在松動(dòng)。將該松動(dòng)線路緊固后，后續(xù)機(jī)組起動(dòng)恢復(fù)正常。

燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)電機(jī)通過Δ-YY型轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)雙速轉(zhuǎn)換，Δ型為一速結(jié)構(gòu)，YY型為二速結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換能否成功決定了起動(dòng)電機(jī)能否將燃?xì)廨啓C(jī)帶至更高所需的轉(zhuǎn)速；由此判斷此故障為線路松動(dòng)致使起動(dòng)電機(jī)二速YY型結(jié)構(gòu)缺相引起。

圖5 1#起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)電流數(shù)據(jù)

3 起動(dòng)電機(jī)設(shè)備故障排查方向及運(yùn)行注意事項(xiàng)

起動(dòng)電機(jī)工作電流表征著起動(dòng)電機(jī)工作是否正常的關(guān)鍵參數(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程運(yùn)行人員應(yīng)密切關(guān)注起動(dòng)電流值。當(dāng)起動(dòng)電機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)不同故障現(xiàn)象并結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，來精確判斷故障點(diǎn)。

3.1 起動(dòng)邏輯故障分析

1) 當(dāng)起動(dòng)過程出現(xiàn)起動(dòng)邏輯故障，即燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)未收到某個(gè)接觸器的閉合信號(hào)，應(yīng)分析判別一速、一速加速、二速、二速加速等階段電流的異常情況，從而鎖定異常電流階段對(duì)應(yīng)的接觸器是否工作正常，若接觸器異常應(yīng)更換并起動(dòng)機(jī)組驗(yàn)證。

2) 若以上各階段電流分析均正常，應(yīng)排查接觸器與燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)連接的接觸器閉合信號(hào)反饋線路是否存在通斷異常。

3.2 起動(dòng)轉(zhuǎn)速偏低分析

起動(dòng)轉(zhuǎn)速偏低，意味著起動(dòng)電機(jī)出力偏低，運(yùn)行人員應(yīng)分析電流數(shù)據(jù)是否較歷史值偏低。若偏低，重點(diǎn)排查Δ-YY轉(zhuǎn)換各線路連接情況。

若燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速上升正常，而起動(dòng)電機(jī)無電流顯示，應(yīng)檢查電流互感器是否存在異常。

3.3 起動(dòng)電機(jī)未按邏輯停止工作

若燃機(jī)冷吹、起動(dòng)過程中，某個(gè)起動(dòng)電機(jī)未按照程序撤出而持續(xù)工作，說明起動(dòng)電機(jī)控制箱接觸器一直處于閉合狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)排查接觸器控制回路是否異常，接觸器是否存在失電不彈開情況。若3臺(tái)起動(dòng)電機(jī)均不停止工作，說明燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)指令一直輸出，應(yīng)排查開關(guān)量指令是否異常[7]，重點(diǎn)檢查控制系統(tǒng)開關(guān)量輸出板卡是否異常造成起動(dòng)電機(jī)工作指令一直輸出。

若3臺(tái)起動(dòng)電機(jī)均未按程序工作，重點(diǎn)排查起動(dòng)電機(jī)工作指令開關(guān)量線路是否異常，致使指令未到達(dá)起動(dòng)電機(jī)控制箱。

3.4 其他運(yùn)行注意事項(xiàng)

1) 按照規(guī)范，通電前確認(rèn)各線路絕緣值在規(guī)范要求內(nèi)，各端子接線無松動(dòng)。

2) 起動(dòng)電機(jī)線路首次安裝后，應(yīng)用萬用表測(cè)量一速、二速線圈內(nèi)阻，以確定接線正確。同時(shí)在首次起動(dòng)燃機(jī)前，必須試驗(yàn)起動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)向，若轉(zhuǎn)向反向需重新接線。

3) 燃?xì)廨啓C(jī)通流部分水清洗時(shí)，起動(dòng)電機(jī)需做好防護(hù)工作，防止清洗液進(jìn)入起動(dòng)電機(jī)各接線處。

4) 加強(qiáng)起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)各接線端子檢查，防止接線松動(dòng)；加強(qiáng)檢查各接觸器、繼電器是否存在老化現(xiàn)象，使用到壽命應(yīng)及時(shí)更換。

4 總結(jié)

針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)問題，本文從研究起動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)工作原理出發(fā)，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工作中出現(xiàn)的起動(dòng)邏輯故障及Δ-YY轉(zhuǎn)換故障案列進(jìn)行分析，總結(jié)出：

1) 當(dāng)起動(dòng)過程出現(xiàn)起動(dòng)邏輯故障，應(yīng)分析判別起動(dòng)階段電流的異常情況，繼而鎖定異常電流階段對(duì)應(yīng)的接觸器是否工作正常。若各階段電流分析均正常，應(yīng)排查接觸器與燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)連接的接觸器閉合信號(hào)反饋線路是否存在通斷異常。

2) 起動(dòng)轉(zhuǎn)速偏低，起動(dòng)電機(jī)出力偏低，應(yīng)重點(diǎn)排查Δ-YY轉(zhuǎn)換各線路連接情況。

3) 起動(dòng)電機(jī)工作后未按程序停止，起動(dòng)電機(jī)未按程序工作，應(yīng)排查開關(guān)量指令是否存在異常。

4) 為保證起動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定工作，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行檢查及防護(hù)工作。