輥道電機接地造成西門子S120 公共直流母線系統(tǒng)故障的研究與對策

劉國華，馬 翔，魏 杰，王 軍

（首鋼長治鋼鐵有限公司設(shè)備處，山西 長治 046031）

0 引言

首鋼長鋼軋鋼廠有4 條生產(chǎn)線，即：棒材生產(chǎn)線、高速線材生產(chǎn)線、棒線復(fù)合型生產(chǎn)線（高棒、高線雙線）和型鋼生產(chǎn)線。其中，軋鋼廠棒線加熱爐輔助傳動系統(tǒng)采用西門子S120 公共直流母線傳動系統(tǒng)，即1組SLM（Smart Line Module）回饋整流單元+多個逆變單元組成，多個逆變單元分別控制加熱爐區(qū)的熱送輥道、入爐輥道、懸臂輥道和出爐輥道等設(shè)備。在多電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計中，大都采用將多個逆變單元的直流側(cè)正負端子分別連接在一起，形成直流公共母線傳動系統(tǒng)。該系統(tǒng)各逆變單元之間可以相互傳遞能量，從再生發(fā)電負載側(cè)回收能量，可減少交流輸入線路、交流輸入熔斷器和接觸器等部件，減少機柜數(shù)量。但是，逆變單元不易和系統(tǒng)隔離,逆變單元控制的任何一個電機有故障，都會引起整個傳動系統(tǒng)掉閘。

1 西門子S120 公共直流母線傳動系統(tǒng)概要

西門子S120 公共直流母線傳動系統(tǒng)，一般由1個控制單元CU320、1 個電源模塊和多個電機模塊構(gòu)成，如圖1 所示。電源模塊提供電壓源直流母線，電機模塊通過公共直流母線互連，電機模塊共用一個直流母線，模塊間可以交換能量。也就是說，如果一個電機模塊在產(chǎn)生電能（發(fā)電機模式），另一個電機模塊可以使用該電能（電動模式）。這種電機模塊與電機模塊之間的直接能量交換將系統(tǒng)中的損耗功率降至最低，因此，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)的輥道控制系統(tǒng)中。

圖1 西門子S120 公共直流母線傳動系統(tǒng)圖

該傳動系統(tǒng)的缺點是電機模塊單元不易和系統(tǒng)隔離，電機模塊控制的任何一個電機有接地故障，都將對公共直流母線電壓造成擾動，電源模塊的擾動故障將造成所有電機模塊的異常。

軋鋼廠棒線作業(yè)區(qū)加熱爐區(qū)的輔助傳動系統(tǒng)，如圖2 所示，采用西門子S120 公共直流母線傳動系統(tǒng)，4 個電機模塊分別控制加熱爐區(qū)的熱送輥道、入爐輥道、懸臂輥道和出爐輥道設(shè)備。由于加熱爐區(qū)環(huán)境溫度高，特別是熱送輥道通風散熱不好、地下水多，經(jīng)常發(fā)生接地故障，每次發(fā)生接地故障都會造成故障停車，需盡快找到接地故障電機并進行應(yīng)急處理，嚴重影響著加熱爐區(qū)收料、上料任務(wù)的完成。

圖2 軋鋼廠棒線作業(yè)區(qū)加熱爐區(qū)的輔助傳動系統(tǒng)

2 故障分析

因電機接地發(fā)生故障，S120 變頻CU320 功率單元的故障報警代碼為F30001、F30021。其中，F(xiàn)30001故障信息為功率單元過電流，可能的原因有：功率單元探測到過電流、閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)定錯誤、電機有短路或者接地、設(shè)置的斜坡上升時間過小、電機的額定電流遠大于電機模塊的電流、輸入壓暫降時放電電流和補充充電電流很強、當電機過載和直流母線電壓暫降時補充充電電流很強、缺少整流電抗器、在接通時有短路電流、功率電纜連接不正確、功率電纜超過允許的最大長度、功率單元損壞和電源相位中斷等。F30021 故障信息為功率單元接地，可能的原因有：功率電纜接地、電機接地、變流器損壞、立即制動引起硬件直流監(jiān)控響應(yīng)、制動電阻短路以及設(shè)置的并聯(lián)設(shè)備上的回路電流控制過慢或者過快等。

接地故障，從現(xiàn)場原因分析，主要為電機和電纜故障兩方面。無論是哪方面的故障，都將產(chǎn)生較大的電流，直接影響電機模塊的供電電壓，從而造成直流母線電壓的擾動，導(dǎo)致母線上所有的電機模塊異常。

問題的原因找到了，電機接地后的故障電流是無法消除的，如何能將故障電流與電機模塊進行隔離是解決該故障的關(guān)鍵。

3 解決思路

考慮使用一種電氣隔離設(shè)備對故障電流與電機模塊進行隔離。經(jīng)查詢資料，隔離變壓器是一種很好的電氣隔離裝置，隔離變壓器的原副邊繞線圈是通過磁場來交換能量的，可以電機模塊和電機端進行有效隔離，完全符合要求。

3.1 隔離變壓器的特點

1）抗干擾作用：通過Y/△接線的隔離變壓器后，能夠阻止部分諧波的傳輸。

2）阻抗變換作用：增加系統(tǒng)阻抗，使保護裝置（斷路器）可靠動作。

3）穩(wěn)定直流母線電壓的作用：如啟動大負荷設(shè)備時，可減少對直流母線電壓的影響。

4）防止系統(tǒng)接地的作用：當隔離變壓器負荷側(cè)發(fā)生單相接地時，不會造成整個系統(tǒng)（隔離變壓器以上部分）單相接地。

5）降低短路電流：當負荷側(cè)發(fā)生短路時，限制系統(tǒng)的短路電流。

3.2 隔離變壓器選型

通過在電機模塊與輥道電機之間加裝隔離變壓器，在不影響輥道電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的前提下，保證在電機或電機電纜發(fā)生接地故障時不會造成加熱爐區(qū)輔助傳動系統(tǒng)掉閘。

1）選定的隔離變壓器必須滿足一次側(cè)和二次側(cè)的電壓和電流是相同的，才會不影響輥道電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

2）隔離變壓器的原副邊繞線圈之間是電絕緣的，沒有物理聯(lián)接，通過磁場交換能量，原副邊繞線圈之間由絕緣紙或絕緣條作隔離，原副邊繞線圈各自的電流獨立[1-2]。

因此，選定變壓器的變比為1∶1，可滿足上述兩個條件。

按照熱送輥道、入爐輥道、懸臂輥道和出爐輥道等設(shè)備的電機實際運行電流（50～60 A）、環(huán)境溫度及堵轉(zhuǎn)過流（2 倍）等現(xiàn)場實際情況，選用三相風冷干式隔離變壓器，型號為FSG-9090kVA（電壓為380 V/380 V電流為136.74 A），帶繞組溫度報警。

在電機模塊輸出電抗器與輥道電機斷路器之間接入選好的隔離變壓器，輸出電抗器出線端接隔離變壓器一次側(cè)，二次側(cè)接入現(xiàn)場對應(yīng)的輥道配電箱斷路器上端，完成改造工作。改造前后逆變單元電路對比如圖3、圖4 所示。

圖3 改造前逆變單元原理圖

圖4 改造后逆變單元原理圖

對輥道電機進行接地試驗，沒有出現(xiàn)逆變單元故障跳閘情況。由于隔離變壓器的阻抗變換作用，接地過電流時只是對應(yīng)輥道電機的斷路器保護可靠動作，沒有出現(xiàn)加熱爐區(qū)輔助傳動系統(tǒng)掉閘現(xiàn)象，更不會影響加熱爐區(qū)其他設(shè)備的正常運行。經(jīng)過一段時間的運行，再無因輥道電機接地故障造成的整個輔助傳動系統(tǒng)掉閘的現(xiàn)象，完美解決了之前的故障問題。

4 創(chuàng)新點

4.1 老物新用

隔離變壓器屬于安全電源，一般用來機器維修、保養(yǎng)用，起保護、防雷和濾波作用。隔離變壓器廣泛用于地鐵、高層建筑、機場、車站、碼頭、隧道及工礦企業(yè)的輸配電等場所。

將隔離變壓器用來隔離接地故障引起的電流變化屬于老物新用，既能有效保護傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又能保證故障發(fā)生時對輥道電機斷路器的保護可靠動作，避免了系統(tǒng)掉閘故障，也降低了排查接地故障電機所需的時間。

4.2 隔離不隔絕

為了既滿足隔離故障的要求，又不影響輥道電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，選用了變比為1∶1 的隔離變壓器，可以準確地將電機模塊的輸出電壓1∶1 復(fù)制到電機斷路器上，雖然沒有了物理連接，但通過磁場轉(zhuǎn)換可以將能量傳遞出去，做到了隔離不隔絕。

5 應(yīng)用情況和效益

棒材冷床輥道電機采用的也是該公用母線傳動方式，將該技術(shù)應(yīng)用到棒材冷床上床輥道上，效果明顯。該項目的實施，大大降低了棒材作業(yè)區(qū)和棒線作業(yè)區(qū)非計劃停機時間和輥道電機的維修量，提高了成材率，進一步降低了棒線、棒材產(chǎn)品的成本。

改進后，消除了因接地故障造成的系統(tǒng)掉閘。棒材改進前，每月發(fā)生接地故障3 次，每次故障處理時間按60 min 計算，每月可節(jié)約3 h，年可降低故障時間36 h。棒線改進前，每月發(fā)生接地故障5 次，每次故障處理時間按30 min 計算，每月可節(jié)約2.5 h，年可降低故障時間30 h。棒材、棒線小時產(chǎn)量分別按200 t、90 t 計、噸鋼利潤按100 元計，全年可增加產(chǎn)量效益：36 h×200 t/h×100 元/t+30 h×90 t/h×100 元/t=99 萬元。

同時，輥道電機的維修量大幅降低，棒材上床輥道電機維修量從201 臺降低為86 臺，棒線熱送輥道電機維修量53 臺降低為22 臺，2.2 kW 電機維修費按350 元/臺計，5.5 kW 電機維修費按900 元/臺計，維修費用可節(jié)約：（201-86）臺×350 元/臺+（53-22）臺×900 元/臺=6.815 萬元。全年總計增加收益：99 萬元+6.815 萬元＝105.815 萬元，效果顯著。