刘 军 刘艳群 林春明 梁 旭0 引言某起重机在任务保障中， 其小车运行机构出现了2次空气开关跳闸的故障。空气开关跳闸后，操作人员检查小车输出端线路无对地短路故障后，恢复空气开关为合闸状态，地面操作手点动小车动作正常后，反复运行该小车和各机构约15 次，均未出现空气开关跳闸现象。为检验小车空气开关的性能，将原小车空气开关送往低压电器检测中心检测。第二次小车机构空气开关跳闸发生在更换新的空气开关后的产品吊装过程中。为保证航天试验产品吊装的安全性、可靠性，对该小车运行机构进行了全面检查，通过设备故障机理分析，找到了小车机构跳闸的故障根源，通过采取有效的改进措施，消除故障隐患，提高设备的运行性能，保障了航天试验产品吊装工作的安全进行。1 小车机构控制原理1.1 双速电动机控制原理该起重机采用变极调速方式，通过接触器逻辑控制电路来实现双速电动机的正反转、快慢速的切换，从而实现小车运行机构以不同速度、不同方向运行，其控制原理如图1 所示。控制电路控制驱动的设备主要有小车运行电动机和制动器线圈，ZCS 和FCS 分别是正反转接触器，控制电动机的正转和反转。制动器线路接在正反转接触器输出端，其工作线圈无相序要求，输入380 V 交流电均能使制动器打开。KCS 和MCS 是控制电动机快慢速运行的接触器，MCS 接触器吸合时，双速电动机的慢速绕组U1、V1、W1 端子供电，电动机以慢速3.12 m/min的速度运行。MCS 接触器断开，KCS 和ICS 同时吸合时，双速电动机的快速绕组U2、V2、W2 端子供电，电动机以快速9.08 m/min 的速度运行。为防止正、反转接触器以及快慢速接触器同时吸合而导致短路，在接触器ZCS、FCS 之间和KCS、MCS 之间均安装有机械互锁装置。Q11 为小车运行机构电源的空气开关，对整个主回路起到短路保护作用。在电动机低速和高速输入回路中设置有电机保护器F21 和F22，电机保护器可设置电机启动时间，在该启动时间内，电机保护器不起过流保护作用，可避免电机因启动电流大而导致电机保护器动作，电机的过载电流一般设置在电机工作电流的110%，超过设定值到一定时间时，便可断开控制电路，起到电动机的过载保护。图1 小车机构变极调速控制原理图1.2 小车机构双速电机接线原理小车机构双速电动机型号为YZD132M1-6/16，采用双星形和单星形（2Y/Y）接法，可实现恒转矩调速，其接线原理图如图2 所示。低速运行时，交流三相电源分别接入T1、T2、T3 端子，电动机在多极状态下运行；高速运行时，交流三相电源分别接入T4、T5、T6 端子，同时通过接触器短接T1、T2、T3 端子，电动机在少极状态下运行。图2 双速电动机2Y/Y 接法原理图1.3 双星形和单星形电动机的换向控制电机在少极对数即YY 型接法时，例如极对数P =1，则有电角度= 空间机械角度；若以A 相空间位置为基准，则B 相在A 相后120°电角度，C 相在A 相后240°电角度，此时相序为顺时针方向。如果改为多极对数（Y 型）时，例如P =2，则有电角度=2 倍空间机械角度；仍以A 相空间位置为基准，则在A 相后120°变为240°电角度，B 相变为C 相，在A 相后240°变为480°，即120°电角度，即B 相。绕组的空间位置虽然没有变化，但其电角度发生了变化，结果使绕组的相序变为逆时针方向。为保持高、低速运转方向一致，在电动机绕组接线上，高、低速接线的U、V、W 三相接线时需要任两相倒相序，即低速时电动机三相绕组U1、V1、W1 分别接电源的A、B、C 三相，高速运行时，三相绕组U2、V2、W2 需分别接三相电源的A、C、B 相（也可接成B、A、C 或C、B、A）。2 小车机构跳闸原因分析小车运行机构工作级别为A3，按照设计原则空气开关和接触器只需按电机额定电流的1.3 倍选型，电机高速运行的额定电流为11 A，低速运行的额定电流是6.5A，空气开关和接触器只需大于14.3 A。小车控制电路选用Schneider C65N D16 空气开关，采用热脱扣方式，额定电流16 A，为D 型类空气开关，电磁脱扣器整定电流值为额定电流的11 ～ 14 倍，但电机启动一般为正常运转时的5 ～ 7 倍；接触器为CJ20-63，额定电流为63 A。由此可知电路所用的空气开关和接触器完全满足电路设计要求，空气开关不会因选型问题而出现跳闸保护，接触器也不会因容量不够而出现触点烧蚀而粘连问题。根据小车机构工作原理，结合设备实际工作情况，得出小车机构空气开关跳闸故障树如图3 所示。引起小车运行机构空气开关跳闸的原因主要有机械振动、短路保护、长期过载保护和空气开关误动作。2.1 机械振动引起空气开关跳闸大、小车运行机构均采用变极调速方式，未采取任何的软启动措施，启动和停止过程中冲击较大，该机振动较大。但在大、小车控制柜内并排安装有4 个空气开关，而2 次空气开关跳闸均出现在同一机构，且是发生在2 个不同的开关上，故机械振动引起的空气开关跳闸可能性不大，基本可以排除。图3 起重机小车空气开关跳闸故障树2.2 长期过载保护引起空气开关跳闸通过用FUK 钳形电流表对小车运行机构工作电流进行监测，电动机和制动器在启动、停止、运行和速度切换过程中最大总工作电流均未超过12 A，并未超过小车机构空气开关的额定值（额定电流为16 A）。并且小车运行机构轨道行程较短，使用频率低，采用工作制是：高速时为S3-25%；低速时为S3-15%，工作使用时间不超过2.5 min。此外，在小车机构控制回路中安装有电动机保护器，一旦回路中出现过载，电机保护器将动作，而实际工作中，电动机保护器并未保护。因此，不会因长期过载而引起空气开关跳闸。2.3 空气开关误动作引起空气开关跳闸原因由低压电器检测中心对送检的第一次出现跳闸的空气开关进行检验，空气开关性能指标合格，满足使用要求，并且新更换的空气开关同样出现了跳闸保护，因此，可排除因空气开关性能下降而导致空气开关跳闸的可能性。2.4 短路保护引起空气开关跳闸空气开关在控制主回路中主要作用是短路保护，造成主回路短路的主要原因有对地短路和相间短路。2.4.1 对地短路对地短路排查只需对三相电缆和电动机绕组对地进行绝缘测试，通过现场测量，线路电缆、电动机绕组、制动器电动机绕组对地绝缘电阻均在500 M 以上，满足使用要求，不会出现对地短路故障。2.4.2 相间短路相间短路包括三相电源相间短路和电动机绕组内部相间短路。1）三相电缆相间短路电动机绕组内部相间短路可通过测量电动机三相绕组阻值来判断，三相绕组平衡则证明电动机内部相间无短路，否则，便可能出现相间短路或匝间短路。通过低压电器检测中心对小车电动机绕组阻值进行精确测量，小车电动机绕组阻值三相平衡，满足性能要求。主回路三相动力电缆之间绝缘损坏会导致三相电源之间的相间短路，通过现场测量，断开电动机接线，主回路三相动力电缆之间的绝缘阻值均在500 M 以上，可排除主回路三相动力电缆之间短路的可能性。2）接触器输出端相间短路接触器灭弧装置损坏或绝缘失效将会导致接触器主触头分断时因拉电弧而出现相间短路故障，拆开接触器检查，5 个接触器的灭弧装置完好无损，可排除单个接触器本身出现相间短路故障。接触器出现粘连或卡滞，会导致2 个接触器瞬时同时处于吸合状态，在小车控制回路里，有2 组接触器同时吸合会造成相间短路，一组是正、反转接触器（ZCS和FCS）同时吸合。在接触器输出端造成相间短路。由于正、反转接触器之间安装有机械互锁装置，且小车运行时不会出现正、反转操作频繁转换，不易导致正反转接触器同时吸合；而慢速接触器（MCS）和快速短接接触器（ICS）之间没有机械互锁，且在操作过程中为减少换速带来的冲击，速度平滑过渡，快慢速切换时间较短，如果任一个接触器因机械卡滞或衔铁有油污而粘连，便会导致其释放变慢，在其未完全释放时，另一接触器吸合，便会造成相间短路，空气开关因瞬间过流而实现短路保护（短路电流应大于160 A）。从实际检查接触器的触点和动、静衔铁中，发现接触器ICS 动、静衔铁上油污较多，粘性大，存在释放缓慢的可能。3）电动机绕组相间短路检查中发现快速接触器（KCS）动、静主触点的开距较小（3 对触点中开距最大不超过3 mm，最小的只有2 mm，而其他接触器均在10 mm 左右），且其机械互锁装置没有左侧拨杆，只有快速接触器侧有拨杆，丧失了机械互锁功能。快速接触器（KCS）开距小，会导致触点释放慢，在快速切换到慢速运行的过程中，存在快速接触器未脱开，而慢速接触器已吸合的现象，造成快、慢2 个回路都给双速电动机供电，而为保证双速电动机高低速转向的一致性，其慢速绕组接线（U1、V2、W3）和快速绕组(U2、V2、W2) 接入的电源相序是不同的（见图4）。如果U1、U2 同相均为电源的A 相，则V1、V2 分别接电源的B 相和C 相，W1、W2 分别接电源的C 相和B 相，在同一相绕组中接入不同相序的电源，便会导致类似电动机出现绕组内部相间短路的故障，出现大的冲击电流，导致小车电源空气开关跳闸保护。图4 快慢速接触器同时吸合时双速电动机绕组供电通过在低压电器检测中心做模拟实验，在快、慢速接触器同时吸合的情况下，电源空气开关立即跳闸保护，监测的冲击电流在200 A 左右。通过以上分析，小车空气开关出现2 次跳闸的可能原因一是快速接触器主触点开距小，快速接触器主触点释放慢，导致其与慢速接触器主触点同时处于导通状态，造成电动机绕组内部出现相间短路现象；另一个可能原因是接触器ICS 动、静衔铁有油污导致快速接触器释放速度慢，造成其与慢速接触器同时处于吸合状态，导致供电三相电源之间的相间短路。从现场接触器的烧蚀情况分析，由于接触器ICS 的主触点烧蚀情况不明显，因此出现三相电源间短路的可能性较小，造成小车机构空气开关跳闸的最可能原因是快速接触器开距小造成的电动机快、慢速接触器同时导通，导致电动机相间短路，进而引起空气开关跳闸。3 处置措施3.1 控制接触器的维护拆开小车运行控制的5 个接触器，将其主触头和动、静衔铁表面全部用酒精进行了擦洗，保证其接触面的清洁度，避免因结合面油污多而造成控制接触器粘连或释放缓慢，导致相间短路故障的发生。快速接触器开距小的原因是由于接触器的机械互锁装置调整不当造成的，通过调整机械互锁装置的调整螺杆，接触器的主触点开距已恢复正常（10 mm 左右），接触器正常吸合、断开的情况下，接触器主触点能够迅速断开。修复了快、慢速接触器间的机械互锁装置，保证机械互锁装置的可靠性，从机械和电器两个方面同时起互锁保护作用，避免快、慢速两个接触器出现同时吸合的故障发生。接触器维护检修后，小车机构运行良好，再未发生空气开关跳闸故障。3.2 控制软件的完善由于出现空气开关跳闸保护是由于高低速、正反转接触器吸合、断开的时间配合上存在偏差造成。因此，为了防止接触器意外卡滞、粘连而造成接触器断开缓慢而导致相间短路故障的发生，可将快、慢速档位切换的时间通过软件设置来延长。原控制系统PLC 控制软件设计中，考虑了低速向高速切换过程中延时，即高、速挡位按钮接通后，PLC接收到控制输入指令，并不马上输出控制指令使高速接触器吸合，而是延时500 ms 后再输出控制高速接触器吸合, 以免快慢速切换太快导致电动机冲击电流较大。对于低、速档位本身接通时电流小，同时又为了满足产品吊装时的点动操作要求，并未增加延时输出电路，因此，一旦高速接触器因卡滞、粘连而释放缓慢，便可能会导致高速接触器和低速接触器主触点同时接通，造成短路故障发生。因此应完善PLC 控制软件，增加慢速运行控制回路中延时输出功能，延时时间可根据设备运行情况现场调试，在保证快慢速切换过程平稳过渡，以及满足设备点动操作的情况下，尽量增大切换时间。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章工资待遇偏低，生活压力大：如何给足基层干部幸福感？进了！朱泾镇入围全国最美志愿服务社区上海市拟推荐名单以自身建设新成效推动人大工作新发展——2020省人大常委会自身建设工作综述中国科学院院士戴金星：“十四五”是我国天然气工业大发展时期赵克志：把握新发展阶段 推动高质量发展 以确保国家政治安全和社会稳定的优异成绩庆祝建党100周年
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