一起大型同步電動機啟動失敗故障分析

趙士永，王力偉

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

引言

一般在冶金行業(yè)中，大型同步電動機主要應用在制氧空壓機、氮壓機和高爐鼓風機中。啟動方式一般采用變頻啟動和自耦降壓啟動，啟動后可通過功率因數(shù)的調節(jié)改善電網的功率因數(shù)，提高廠區(qū)電網質量和運行效率。大型同步電動機啟動出現(xiàn)問題會給電網帶來影響，甚至危害到公司電網系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和公司的生產系統(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，檢修同時對空分系統(tǒng)空壓機以及循環(huán)氮壓機勵磁系統(tǒng)西門子7UM62電機綜合保護裝置進行更換。裝置更換完成后，空壓機開機一次并網成功，循環(huán)氮壓機在啟機過程中勵磁系統(tǒng)西門子7UM62綜合保護裝置報差動故障以及逆功率故障，電動機跳車并網失敗。西門子7UM62綜保裝置是西門子多功能微機保護裝置，主要應用在發(fā)電機、電動機和變壓器的保護中。目前該公司制氧及鼓風系統(tǒng)的大型同步電動機保護基本上都應用了該裝置。

2 原因分析

2.1 直接原因

該循環(huán)氮壓機所采用的電機為同步電動機，開機啟動過程采用變頻啟動方式。因此在啟動過程中需要閉鎖差動保護以及逆功率保護功能，防止誤動作影響電機正常啟動。原因如下：

（1）傳統(tǒng)微機差動保護是基于工頻運行狀態(tài)下的電動機進行設計。變頻啟動時，強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、飽和而進入非線性區(qū)域，導致機側CT采樣誤差變大。因此常規(guī)相量差動保護不能正確、可靠動作。

（2）制氧空分氮壓機電機主回路設計，如圖1所示。

變頻啟動回路：MBI2-MBC2-SDT-SFC-SUTMBM2-SYM。

并網回路：MBI2-MBC2-SYM。

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

圖1 制氧氮壓機單線圖

（3）電機變頻啟動過程中，勵磁調節(jié)方式會由恒勵磁電流模式轉變?yōu)楹愦磐Ｊ?；同時系統(tǒng)進入正步微調控制前，電樞端電壓幅值、頻率處于波動階段，因此導致電機電磁轉矩和功角方向擺動。當功角θ為正，電磁轉矩為負（電磁轉矩方向與轉動方向相反），電機處在發(fā)電機工作狀態(tài)，導致逆功率保護誤動。電機啟動曲線如圖2所示。

圖2 電機啟動曲線圖

2.2 深度分析7UM62裝置問題

故障發(fā)生后電氣專業(yè)檢修維護人員搭建試驗平臺對故障下線的7UM62綜保裝置進行性能檢測。通過查看綜保矩陣點表可知，在電機變頻啟動過程中，PLC向綜保裝置發(fā)送24 V電壓信號，閉鎖差動以及逆功率保護功能，如圖3、4所示。

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

圖3 差動保護閉鎖設置圖（綜保矩陣點表）

圖4 逆功率保護閉鎖設置圖（綜保矩陣點表）

圖5 綜合保護裝置二次接線原理圖

利用綜保測試儀在裝置二次側模擬故障電流，進行裝置閉鎖功能測試。測試結果：無論是否輸入閉鎖信號，差動及逆功率保護均可靠動作。為了進一步驗證結論，用同型號正常閉鎖裝置進行對比，監(jiān)測裝置開關量輸入狀態(tài)變化，如圖6、7所示。在給定24 V電壓信號時，正常裝置的BI6開關量輸入可靠動作閉合，故障裝置沒有變化，依然是斷開狀態(tài)。

圖6 可正常閉鎖的開關量輸入狀態(tài)點

圖7 不能閉鎖的開關量輸入狀態(tài)點

結論：判斷此臺7UM62電機綜合保護裝置閉鎖功能失效，所以啟機過程中報差動故障以及逆功率故障導致啟機失敗。

2.3 管理原因

經查此次更換的循環(huán)氮壓機7UM62綜保裝置，為2018年采購的備件。此次啟動失敗后公司要求西門子工廠進行賠付，但經西門子工廠查詢此序號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，不予賠付。綜保裝置在上線前相關專業(yè)人員對裝置軟件、硬件參數(shù)進行配置、保護傳動，但未對裝置閉鎖功能有效性進行測試，致使缺陷裝置上線使用，暴露出專業(yè)、點檢人員對于進口關鍵設備備件重視程度不夠，缺乏先期發(fā)現(xiàn)問題意識，是造成翻新機上線啟動失敗的管理原因。

3 改進及防范措施

（1）完善勵磁控制系統(tǒng)7UM62使用操作法，在上線前增加保護閉鎖功能測試環(huán)節(jié)。在以后的保護裝置更換工作中，除了軟件、硬件參數(shù)進行設置及相關保護傳動等常規(guī)項目，還應對裝置閉鎖功能進行校驗測試，確保運用在重要大型同步電動機上的關鍵備件的穩(wěn)定性。

（2）在重要和關鍵設備的備件更換前，對備件特別是代理商提供的備件要嚴格檢查測試，并要求采購部門查明貨物來源及渠道，防止翻新產品上線造成影響設備運行安全的情況發(fā)生。

（3）對鼓風機、制氧機等關鍵設備的綜合保護裝置，按《繼電保護及電網安全自動檢驗裝置》（DL/T995-2018）規(guī)定，使用年限達到12年全部進行更換。

4 結束語

目前鋼鐵企業(yè)的大型鼓風機、制氧機組、燒結機等機組的大型同步電機保護裝置大都采用西門子7UM62綜保裝置，雖然裝置比較成熟先進，但專業(yè)維護人員在精心維護保養(yǎng)的同時要對該裝置進行深入細致的學習和研究，出現(xiàn)問題能迅速準確查明原因，保證大型同步電動機的穩(wěn)定運行。