設(shè)備接地故障解決方案

紀(jì)天平

廈門國際貨柜碼頭有限公司

1 引言

某公司的岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)在生產(chǎn)作業(yè)過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)2起電氣故障。第一起是2018年6月，QC8#岸橋生產(chǎn)時(shí)，吊具電控柜內(nèi)的小型繼電器在無工作指令信號(hào)時(shí)，出現(xiàn)吸合動(dòng)作。第二起是2019年5月，QC10#岸橋控制吊具電纜卷盤的變頻器在無工作時(shí)，其外接的能耗制動(dòng)電阻出現(xiàn)半邊溫度過高冒煙的現(xiàn)象。這兩起故障都是因設(shè)備接地故障而引發(fā)的。通過分析故障的起因并制定設(shè)備接地故障的保護(hù)措施，從而保證設(shè)備的安全生產(chǎn)。

2 QC8#接地故障與保護(hù)措施

2.1 技術(shù)改進(jìn)的背景

圖1 QC8#吊具接地故障分析圖

QC8#岸橋生產(chǎn)時(shí)，吊具電控柜內(nèi)的小型交流繼電器，在PLC無輸出指令時(shí)出現(xiàn)吸合動(dòng)作。根據(jù)電控原理圖分析，QC8#的吊具電源由輔助變壓器提供，其參數(shù)為10 kV380 V、200 kVA，變壓器中性線未接地(見圖1)?？刂频蹙唠姶砰y動(dòng)作的是小型交流繼電器(線圈規(guī)格AC220 V/10 mA,XL=22 kΩ)，線圈一端接電源中性線N，另一端接PLC輸出信號(hào)。傳輸電纜是鋼絲鎧裝電纜，鋼絲接地，長(zhǎng)度約100 m。所有控制信號(hào)線和接地體相當(dāng)于若干個(gè)小電容，測(cè)量容量大約為1.59 μF，容抗計(jì)算公式為：

Xc=1/Wc=1/(314×1.59×10-6)=2 kΩ

(1)

當(dāng)輔助變壓器三相電中的任一相碰殼接地后，因輔變中性線未接地，未能構(gòu)成接地電流回路，所以Q2空氣開關(guān)未能跳閘保護(hù)，零線和地之間電壓VEN由0變?yōu)?20 V。此時(shí)吊具上小型繼電器的線圈相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)容抗為2 kΩ的小電容，接在220V電源上，電路的阻抗和電流計(jì)算公式如下[1]：

Z=XL-XC=20 kΩ

(2)

I=VEN/Z=220/20=11 mA

(3)

電路電流值滿足繼電器吸合條件。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該型號(hào)繼電器線圈串接容量小于1.59 μF的小電容(400 V/105 J)，接在220 V/50 Hz交流電源上，繼電器能正常吸合。當(dāng)輔助變壓器任一相電源碰殼接地后，由于電路中電容耦合效應(yīng)的作用，造成吊具柜內(nèi)的小型交流繼電器出現(xiàn)吸合的故障現(xiàn)象。QC8#岸橋在設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮到吊具電纜的電容耦合效應(yīng)，會(huì)干涉小型交流繼電器的正常工作。碰殼故障排除后，VEN由220 V變?yōu)?，吊具內(nèi)繼電器恢復(fù)正常。

岸橋在吊裝集裝箱作業(yè)時(shí)，若吊具半空中誤開鎖，會(huì)存在摔箱的危險(xiǎn)性。因此必須排除因輔變電源接地，引發(fā)吊具繼電器誤動(dòng)作的危險(xiǎn)因素。

2.2 技術(shù)改進(jìn)措施

解決QC8#吊具接地故障問題，目前有3種方案可以選擇。

第一種方案是輔助變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)?？紤]到岸橋是高空設(shè)備，本身整機(jī)外殼都是接地體，而且廈門地區(qū)春夏時(shí)節(jié)雷雨天氣較多，若雷電通過輔變中性點(diǎn)串到PLC、變頻器等電器上，會(huì)造成主要電器損壞，修復(fù)成本相當(dāng)高，不宜采用此方案。

第二種方案為避免交流控制信號(hào)的電容耦合效應(yīng)，吊具交流控制信號(hào)改為直流信號(hào)，同時(shí)將交流繼電器更換為直流繼電器。此方案不但工作量相對(duì)較大，而且人身觸電的危險(xiǎn)性依然存在，所以也未采用。

第三種方案是在司機(jī)室安裝一個(gè)接地故障檢測(cè)繼電器E(見圖1)，它輸入PLC I/O Input點(diǎn)為%I01433，同時(shí)在PLC程序段增加%I01433點(diǎn)(見圖2)。當(dāng)發(fā)生電源接地故障時(shí)，繼電器E吸合，程序檢測(cè)到I01433信號(hào)為ON時(shí)，COPRM(Control On Permit 控制接通允許)線圈自動(dòng)斷開，岸橋控制跟著斷開，所有機(jī)構(gòu)停止工作(包括吊具油泵)，防止吊具誤動(dòng)作，起到安全保護(hù)作用，同時(shí)可根據(jù)程序的故障點(diǎn)，排除故障。

圖2 QC8#控制接通允許程序截圖

綜合分析利弊，決定采用第三種方案。技術(shù)改進(jìn)措施完成后，排除了QC8#岸橋接地故障引發(fā)吊具交流繼電器誤動(dòng)作的隱患，保證設(shè)備的安全生產(chǎn)。

3 QC10#接地故障與保護(hù)措施

3.1 技術(shù)改進(jìn)的背景

圖3 QC10#能耗制動(dòng)電阻接地故障分析圖

QC10#岸橋的吊具電纜采用卷盤來收放，驅(qū)動(dòng)裝置是英國CT變頻器，采用恒轉(zhuǎn)矩控制，保證吊具電纜一直處于收緊狀態(tài)。變頻器的電源由主變壓器提供，主變壓器的中性點(diǎn)接地(見圖3)。當(dāng)?shù)蹙呦陆禃r(shí)，電纜帶動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，回饋到直流母排上；當(dāng)變頻器檢測(cè)到直流母排電壓VDC超過設(shè)定值(570 V)時(shí)，觸發(fā)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管)工作，能耗制動(dòng)電阻投入工作，消耗回饋電能，最大能耗電流測(cè)算為26 A；當(dāng)VDC小于設(shè)定值時(shí)，能耗制動(dòng)電阻工作斷開。

2020年5月，QC10現(xiàn)場(chǎng)維修保養(yǎng)時(shí)，在岸橋未工作和CT變頻器無故障顯示的情況下，發(fā)現(xiàn)變頻器外接的能耗制動(dòng)電阻出現(xiàn)半邊溫度過高冒煙的現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)能耗制動(dòng)電阻金屬支撐柱中間的陶瓷絕緣子破裂，導(dǎo)致能耗制動(dòng)電阻金屬片靠在金屬支撐柱上，造成接地故障，但變頻器的電源空開1Q1(IN=56 A)未跳閘。接地電流回路為三相電(U、V、W)→二極管整流→直流母排L+→能耗制動(dòng)電阻→接地點(diǎn)→EN→變壓器二次繞組→(U、V、W)相。接地回路電阻值RE=能耗制動(dòng)電阻/2=11 Ω。接地電流和接地電流消耗功率計(jì)算公式分別為：

IE=U/RE=220/11=20 A

(4)

P=IE2RE=202×11=4 400 W

(5)

因IE(20 A)

3.2 技術(shù)改進(jìn)措施

首先更換破裂的陶瓷絕緣子，同時(shí)對(duì)能耗制動(dòng)電阻進(jìn)行清潔、加固。運(yùn)用Syptlite軟件編輯增加CT變頻器的能耗制動(dòng)電流檢測(cè)保護(hù)程序，程序如下：

If #10.11=0 Braking IGBT active能耗制動(dòng)IGBT 未工作 #4.28 >150能耗制動(dòng)電流大于1.5AThen#10.12=10=Braking Resistor healthy ，1= Braking Resistor AlarmEnd

變頻器通過Profibus與PLC進(jìn)行通信，將變頻器狀態(tài)字回饋PLC。當(dāng)能耗制動(dòng)IGBT未工作時(shí)，變頻器檢測(cè)到能耗制動(dòng)電流大于1.5 A，變頻器顯示故障。同時(shí)在PLC程序段增加吊具能耗電阻接地故障中間變量點(diǎn)M03306，其對(duì)應(yīng)CT變頻器的#10.01參數(shù)(見圖4)。當(dāng)能耗電阻接地故障時(shí)，M03306為ON，COPRM線圈斷開，岸橋控制自動(dòng)斷開，所有機(jī)構(gòu)停止工作，起到安全保護(hù)作用，同時(shí)可根據(jù)程序的故障點(diǎn)，排除故障。

圖4 QC10#控制接通允許程序截圖

4 結(jié)語

探討岸橋變壓器中性點(diǎn)N是否接地的2種情況下，岸橋設(shè)備電氣接地故障，制定相對(duì)應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施給以排除。做好設(shè)備接地故障的保護(hù)，是保證設(shè)備正常運(yùn)行的重要技術(shù)措施。