吊斗鏟電抗器支架固定方式改進(jìn)

崔俊強(qiáng)

（國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

準(zhǔn)能集團(tuán)公司2005 年從美國引進(jìn)了1 臺(tái)8750-65 型邁步式吊斗鏟，吊斗鏟組裝后質(zhì)量為5 600 t，大臂長109.7 m、呈31°水平夾角與三角架相連[1]，吊斗鏟具有生產(chǎn)效率高，運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。作為世界上先進(jìn)的采礦設(shè)備，吊斗鏟很多的系統(tǒng)部件都使用的是行業(yè)內(nèi)最高端的產(chǎn)品或技術(shù)。提升和回拉系統(tǒng)采用世界上最高端的無齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，即直接利用無極變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)；電氣控制系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的西門子電氣IGBT 技術(shù)。IGBT 控制柜放置于在吊斗鏟回轉(zhuǎn)平臺(tái)上。作為核心機(jī)構(gòu)，記錄分析吊斗鏟所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)各類開關(guān)接觸器進(jìn)行微機(jī)控制，以實(shí)現(xiàn)吊斗鏟各種動(dòng)作的操作。在控制柜的上部設(shè)計(jì)有鋼結(jié)構(gòu)框架，24 組AFE 電抗器平均分布并安裝于鋼結(jié)構(gòu)上部平臺(tái)，用來限制設(shè)備相位電壓、電流控制以及提高電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。所以，AFE 電抗器是吊斗鏟電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,其運(yùn)行狀況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著決定性作用[2]。

1 吊斗鏟電抗器

1）電抗器。在一些大容量用電系統(tǒng)中，單元發(fā)生短路時(shí)，電流值可能達(dá)到正常運(yùn)行電流的十幾倍，為了克服其帶來的負(fù)面影響，不得不使用大截面電纜或一些重型的電氣設(shè)備，從而使企業(yè)的資本加大。因此，在一些大型企業(yè)或設(shè)備中，需額外安裝一些特殊的限流電抗器，常常將電抗器串聯(lián)于電網(wǎng)中以限制電力系統(tǒng)短路故障電流，這樣可以有效限制電力系統(tǒng)短路故障電流[3]。限流電抗器在電力系統(tǒng)中一般串聯(lián)使用，發(fā)生短路時(shí)，對(duì)短路電流起到阻抗作用，減輕故障對(duì)正常運(yùn)行電氣設(shè)備造成的負(fù)擔(dān)。

2）電抗器在吊斗鏟的應(yīng)用。8750-65 型吊斗鏟外網(wǎng)供電電源使用的是22 kV 高壓，在外網(wǎng)電力系統(tǒng)或內(nèi)網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，設(shè)備電氣系統(tǒng)的短路電流數(shù)值會(huì)相當(dāng)大。吊斗鏟在提升、回拉、回轉(zhuǎn)、行走等系統(tǒng)的斷路器中串聯(lián)了電抗器，增大短路阻抗，限制短路電流，保證設(shè)備各類電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定。吊斗鏟電抗器是由導(dǎo)線繞成螺線管的空心式電抗器，每組電抗器由3 個(gè)圓柱體空心線圈組成，每組重達(dá)3 t。AFE 能量回饋系統(tǒng)中,AFE 電抗器是至關(guān)重要的,因?yàn)樗粌H影響到電流環(huán)節(jié)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng),同時(shí)制約著AFE 的輸出功率、功率因數(shù)[4]。電抗器安裝在出線端，在吊斗鏟某一單元發(fā)生短路時(shí)，所有電壓降都集中在電抗器上，可以保護(hù)母線上的電壓水平，從而保證吊斗鏟各種電氣設(shè)備工作得以穩(wěn)定運(yùn)行。

3）電抗器在吊斗鏟的固定方式。吊斗鏟電抗器外部發(fā)生短路時(shí)，周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場，易吸附一些鐵屑或小的掉落零部件損壞電抗器。電抗器還需要不斷有帶壓力的風(fēng)源，使電抗器周圍臟污以及空氣中的灰塵無法積聚在電抗器上，避免引起電抗器繞組絕緣擊穿和發(fā)生電弧，使電抗器繞組損壞及引起相見短路。而且電抗器每根導(dǎo)線表面都用多層絕緣性能良好的聚酯薄膜進(jìn)行半疊繞包[5]，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以電抗器安裝空間內(nèi)必須有降溫措施。綜上所述，吊斗鏟電抗器安裝在5#進(jìn)氣風(fēng)機(jī)的正下方，風(fēng)機(jī)可對(duì)電抗器起到降溫除塵作用。吊斗鏟有用于支撐電抗器的專用的金屬支架，該金屬支架安裝于電氣控制柜的上部作為金屬支撐件。該金屬支架由上下結(jié)構(gòu)不同的2 部分連接而成，這2 部分是指作為上部的平臺(tái)底座和作為下部的支臂,其中上部的平臺(tái)底座用于安裝電抗器，且為圍欄封閉互鎖管理，在未關(guān)閉相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，無法打開進(jìn)門鎖進(jìn)入高壓區(qū)域，避免高壓觸電。下部由12 根支柱組成支承體系置于設(shè)備回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，與上部平臺(tái)連接，通風(fēng)良好。所有結(jié)構(gòu)均采用工字鋼，形成整體式框架結(jié)構(gòu)。

2 吊斗鏟電抗器支架存在問題及造成的故障

吊斗鏟電抗器自重加上平臺(tái)質(zhì)量約100 t，全靠12 根3 m 高的立柱支撐并限制4 個(gè)自由度，目的是在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的情況下減重，從而使剛度質(zhì)量比和強(qiáng)度質(zhì)量比更高[6]，導(dǎo)致支承系統(tǒng)相對(duì)薄弱。所有質(zhì)量集中在支架的上部，在水平方向上沒有限制自由度，剛度較小;在吊斗鏟運(yùn)行時(shí)，電抗器由于慣性會(huì)隨設(shè)備的各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向不停地晃動(dòng)，3 m高的工字鋼不能完全限制前后左右4 個(gè)自由度。吊斗鏟IGBT 控制柜位于支架的框架內(nèi)，支架的晃動(dòng)會(huì)對(duì)控制柜造成碰撞，所以在吊斗鏟作業(yè)時(shí)，電抗器支架立柱及平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生疲勞變形甚至斷裂，線路摩擦損壞，電氣元件發(fā)生故障。

1）電源塊燒毀。吊斗鏟PLC 系統(tǒng)主機(jī)架電源塊安裝于電氣控制柜內(nèi)，是由120 VAC 轉(zhuǎn)換為24 VDC 和5 VDC 的供電電源。吊斗鏟作業(yè)時(shí)，電抗器支架晃動(dòng)撞擊電氣控制柜使其產(chǎn)生振動(dòng)，造成部分電源塊接線松動(dòng)、接觸不良，使得電源塊燒毀損壞，頻繁出現(xiàn)電氣系統(tǒng)自回故障，甚至吊斗鏟無法啟機(jī)。嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行及電氣系統(tǒng)的使用壽命。

2）信號(hào)線磨損接地。ET200 是吊斗鏟PLC 系統(tǒng)主站的通信模塊，2011 年吊斗鏟頻繁出現(xiàn)回拉勵(lì)磁跳閘故障，設(shè)備不能正常作業(yè),發(fā)現(xiàn)是ET200 其中1 根信號(hào)線與電纜槽磨損接地所致。由于電抗器支架晃動(dòng)，電纜槽邊緣與信號(hào)線摩擦，造成信號(hào)線外皮破損，內(nèi)芯與電纜槽發(fā)生短路現(xiàn)象。不只是信號(hào)線，電纜槽里的各種電源線、控制線，甚至高壓線都有可能發(fā)生類似故障，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備造成不可挽回的損失，安全隱患極大。

3）IGBT 損壞。8750-65 型吊斗鏟幾乎所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)均采用基于IGBT 的交-直-交變頻驅(qū)動(dòng)方式。吊斗鏟曾出現(xiàn)提升制動(dòng)器無法打開故障，故障出現(xiàn)時(shí)制動(dòng)器可以手動(dòng)機(jī)械打開，但是電控操作就無法正常打開。手動(dòng)能打開證明制動(dòng)器機(jī)械方面正常，故障原因是10 組制動(dòng)器序列未完成，即不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將所有制動(dòng)器打開，所以故障無法消除，設(shè)備不能作業(yè)。查找后發(fā)現(xiàn)是吊斗鏟提升系統(tǒng)IGBT 爆毀，IGBT 總成件無法修復(fù)只能更換新的IGBT，每件IGBT 的采購價(jià)在80 萬元左右。

4）支架裂紋。吊斗鏟電抗器支架是1 個(gè)獨(dú)立的框架式結(jié)構(gòu)，沒有設(shè)置拉桿與設(shè)備其他部位固定，設(shè)備作業(yè)時(shí)支架整體會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，使原有的鋼結(jié)構(gòu)變形，甚至裂紋。改造之前，吊斗鏟維修人員必須每天對(duì)支架進(jìn)行細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)焊接。平均每周都會(huì)有6 h 用來焊接修復(fù)電抗器支架。但是現(xiàn)場臨檢焊接條件受限，焊接質(zhì)量不能滿足設(shè)備需求，隨著焊修次數(shù)的增加，焊接部位的材質(zhì)也發(fā)生質(zhì)變，故障率越來越高。雖然臨時(shí)在有限空間內(nèi)與吊斗鏟墻壁做了連接固定，但還是未從根本上減少或杜絕支架工字鋼裂紋變形故障。

3 電抗器支架固定方式改進(jìn)

3.1 改造方案

經(jīng)過桌面推演，從電抗器支架的左、右、后3 個(gè)方向加固支架。電抗器支架左面，在回轉(zhuǎn)平臺(tái)加焊2個(gè)大型H 型鋼立柱，然后單獨(dú)與電抗器平臺(tái)連接，右面及后面利用三角形的穩(wěn)定性，使用150 mm 槽鋼與設(shè)備墻壁呈三角形連接。這樣，使電抗器支架與設(shè)備回轉(zhuǎn)平臺(tái)及墻壁形成了1 個(gè)整體的結(jié)構(gòu)。

吊斗鏟電抗器支架立柱采用通用工字鋼，翼緣呈逐漸變薄形式。這類型工字鋼橫截面積小，穩(wěn)定性差。為了提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，改造加固材料選用橫截面積較大的H 型鋼，新型H 型鋼支撐,具有較好的社會(huì)、工期和經(jīng)濟(jì)效益[7]。設(shè)計(jì)H 型鋼橫截面積長508 mm、寬508 mm。為了節(jié)約成本，采用3 塊鋼板焊接成H 型鋼，兩側(cè)受力鋼板選用500 mm×75 mm,中間連接板選用350 mm×25 mm。然后采用二氧化碳保護(hù)焊，角焊成型。

加固H 型鋼立柱焊接于提升電機(jī)側(cè)面的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，為了減少立柱對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)地板的剪切力，及后期可能產(chǎn)生的地板裂紋，設(shè)計(jì)將立柱分布于回轉(zhuǎn)隔艙的十字交點(diǎn)處，并在隔艙內(nèi)利用三角形拉筋板加固，以提高其穩(wěn)定性。3 t 重的工字鋼立柱固定好以后，在電抗器支架上部平臺(tái)水平方向用200 mm 工字鋼與立柱進(jìn)行橫梁連接。為了使橫梁更加穩(wěn)固，在橫梁與立柱之間再斜拉焊接1 根工字鋼，與上部橫梁呈三角形加固。電抗器支架上部平臺(tái)同一平面，根據(jù)與墻壁立柱實(shí)際距離，制作若干150 mm 工字鋼，呈三角形連接，加固支架右側(cè)及后面。

3.2 焊接工藝及參數(shù)

由于吊斗鏟所用結(jié)構(gòu)件材料均采用強(qiáng)度較高的鋼板，焊接質(zhì)量對(duì)改造工藝至關(guān)重要。焊絲、焊接速度、焊接電壓、焊接方式等，對(duì)焊接強(qiáng)度、焊接韌性、焊接成型、電弧穩(wěn)定等方面都有著影響。所以，選擇焊絲型號(hào)為TM-811n2,焊接的方式為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，送絲速度范圍7 620～10 160 mm/min，焊接電壓范圍22～28 V，焊接電流范圍190～240 A。

工字鋼在加工制作時(shí)就應(yīng)考慮加工V 型坡口，焊前清理焊接部位周圍的油漆、雜質(zhì)等，使用角磨機(jī)進(jìn)行打磨。焊時(shí)注意溫度監(jiān)測，隨時(shí)測量尺寸是否偏移，每次焊1 層都要清理熔渣，做好防風(fēng)措施，如不慎出現(xiàn)氣孔或夾渣，要停止施焊，利用氣刨將氣孔和夾渣清理干凈再繼續(xù)施焊[8]。焊后按照工藝要求檢測工字鋼垂直情況，焊修后對(duì)焊縫進(jìn)行PT、MT、UT 等無損檢測。

3.3 改造效果

8750-65 型吊斗鏟電抗器支架按此方案改造完成后，電抗器支架從下到上與設(shè)備回轉(zhuǎn)平臺(tái)形成一體，電抗器平臺(tái)6 個(gè)自由度被完全限制。在加固大型工字鋼與墻壁拉筋的作用下，整個(gè)支架穩(wěn)定牢靠。吊斗鏟作業(yè)時(shí)，電抗器及支架會(huì)隨設(shè)備回轉(zhuǎn)平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，不會(huì)單獨(dú)搖晃，證明改進(jìn)效果完全滿足設(shè)計(jì)需求。改造完成后，電抗器支架立柱未發(fā)生變形，焊接部位無裂紋產(chǎn)生。各類電氣元件可以正常工作，實(shí)現(xiàn)其功能。此方案徹底杜絕了由電抗器支架穩(wěn)定性差引起的各類設(shè)備故障，提高了設(shè)備能動(dòng)率，也節(jié)約了大量維修成本。后期加大點(diǎn)檢力度，在日檢周檢時(shí)檢查支架完整無裂紋、絕緣無損壞、電纜線卡無松動(dòng)等，延長設(shè)備使用壽命，不斷提高吊斗鏟產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

吊斗鏟電抗器支架經(jīng)過改造運(yùn)行，再無此結(jié)構(gòu)引發(fā)的故障。研究表明用來支撐電抗器的支架結(jié)構(gòu)，在吊斗鏟運(yùn)行慣性作用下受力性能的好壞不僅影響到電氣系統(tǒng)的完好、設(shè)備的正常運(yùn)行,而且可能會(huì)引發(fā)電器火災(zāi)等次生災(zāi)害,給員工生命及企業(yè)財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行需求，不斷進(jìn)行創(chuàng)新改造，有利于設(shè)備的良好運(yùn)行及企業(yè)的全方位發(fā)展。