礦井帶式輸送機電機頻繁燒毀原因分析及解決辦法

陳中玉

（淮南礦業集團，安徽 淮南 236216）

1 概述

隨著煤礦高產高效工作面的發展，大運量、長運程、高帶速帶式輸送機越來越多地被設計、制造并投入運行。大型機種的使用，使帶式輸送機存在的沖擊載荷大、成本高、壽命短、驅動電機出力不均勻而導致燒毀電機等問題更加尖銳地暴露出來。某煤礦井下東翼1.4 m帶式輸送機長1400 m，2008年3月投入生產運輸，運行幾周后，其中1臺拖動電動機的電纜被擊穿，于是該礦將電纜更換成高壓電纜，耐壓等級10000 V，3芯，并有屏蔽層，此后電纜不再被擊穿。但到9月份卻又燒毀1臺電動機。分析電機頻繁被燒的原因可能是電流超標（電機超載），引起電機超載極有可能是負載工作機故障，也有可能是原動機與工作機的皮帶輪配搭不對，將燒毀的電動機送至電機廠，請其用優質的線圈重新纏繞并加強絕緣，但到2009年6月電動機又被燒毀。截至2009年年底，共燒毀電動機3臺。采區輸送機用的電動機燒毀的占井下電機燒毀總數的80%左右，從所燒的電動機繞組來看，有的是匝間；有的是兩相；有的是三相；有的是由接地引起的相間燒毀。

2 問題分析

2.1 基本情況

帶式輸送機運量與帶寬、帶速的對應關系:帶式輸送機運量應不小于其服務的工作面最大生產能力，即不小于工作面刮板機或順槽帶式輸送機運量。根據工作面年產量分1.0 Mt/a、3.0 Mt/a、5.0 Mt/a三個等級，與帶式輸送機服務工作面數目將帶式輸送機運量分五種。

小時運量t/h帶寬mm帶速m/s 120010003.55180012003.55250014003.55350016003.55500018004.5

驅動裝置:大功率帶式輸送機宜采用多驅動單元，驅動單元宜采用相同的配置，配置部件應采用同型號部件。電機功率＞200 kW，宜采用高壓隔爆電機（6 kV或10 kV）；電機功率＜200 kW，宜采用低壓隔爆電機（660/1140 V）。

軟啟動方式的選擇:

電機功率（kW）560～1250 CST可控驅動裝置1250以上CST可控驅動裝置由小至大≤200限矩型液力偶合器帶后輔腔液力偶合器液粘軟啟動200～355帶后輔腔液力偶合器液粘軟啟動355～560變頻軟啟動CST可控驅動裝置

帶式輸送機由2臺660 V/1140V 355 kW變頻電動機拖動，每臺電動機各由一臺電壓源型的ACS800系列變頻器控制，變頻器直流母線通過制動斬波器與制動電阻相連。2臺變頻器以主從方式進行控制，轉矩跟隨。帶式輸送機最大設計輸送能力2500 t/h，每天運行16 h（兩班）。此時，電動機工作于發電狀態。

2.2 運行狀態分析

該礦帶式輸送機運行方向與水平成一定角度，根據力學原理，刮板機和轉載機轉到皮帶上的物料將產生一個沿皮帶運行方向且與皮帶阻力f方向相反的下滑力F，若皮帶上物料量增加，則下滑力F增大，當下滑力大于皮帶阻力f時，電動機牽引力F′為負值，其方向與皮帶阻力相同，即下滑力克服皮帶阻力拖動皮帶及電動機運行，此時電動機必須提供制動力。否則，皮帶將越轉越快，造成飛車。因此選擇變頻器對電動機進行控制，當刮板機和轉載機給煤量一定時，皮帶上的總煤量與皮帶速度成反比，皮帶速度越快，皮帶上的煤總量越小，皮帶越不容易飛車，因此皮帶啟動后，變頻器一般設定為50 Hz。

由于輸送距離較長，不易啟動，因此利用變頻器的CST軟啟動功能啟動帶式輸送機。啟動后，隨著刮板機和轉載機的給料，皮帶上的料量逐漸增大，隨之產生的下滑力也逐漸增大，電動機電流逐漸減小。當下滑力等于皮帶阻力時，電動機不輸出力矩，電動機由電動狀態開始進入再生發電狀態。隨著皮帶上的料量繼續增大，電動機完全進入發電狀態，并提供制動力矩，電動機電流逐漸增大，當煤料到達下山時，電動機進入穩定的發電狀態。此時，電動機產生的能量由變頻器的逆變器傳遞到變頻器的直流母線上，使直流母線電壓升高，當升高到一定程度（這里設定為20%），斬波器開始工作，將這部分電能消耗在制動電阻上。綜上所述，此處的變頻器功能有兩個，一是帶式輸送機的軟啟動；二是在正常生產中，通過斬波器將電動機產生的電能消耗在制動電阻上，提供制動力。

3 故障分析

電動機維修并重新投入生產后，在帶載情況下請技術人員到現場用示波器進行檢查，變頻器輸出端的波形正常，但電動機的定子接線端的波形失真特別嚴重，電壓波峰與波谷最大差值可達2500V。幾次電動機燒毀情況基本一樣，整個電動機線圈并沒有過電流發熱的燒痕。除了燒毀處外，其他部分線圈絕緣都沒問題，并且燒毀處為線圈曲率半徑較小處，因此可斷定，電動機燒毀是因為高電壓擊穿，破壞了線圈絕緣，造成匝間短路，從而燒毀了電動機。由于變頻器采用的是交-直-交IGBT逆變技術，不可避免會產生尖峰脈沖電壓，該電壓會對電動機絕緣造成沖擊，并且容易在線圈曲率半徑較小處產生電荷積累，造成局部放電，破壞絕緣。

4 變頻傳動對電動機絕緣的要求

對于供電電壓為660 V/1140 V的電動機，處于電動狀態時，端子上的最大尖峰電壓可以估算為1140×1.35×2=3078 V（式中，1.35為三相橋整流系數，2是由于電動機與電纜的特性阻抗不同，引起的波反射和疊加的倍數）。當制動斬波器工作時，其直流電壓已高于額定值的20%（ACS800變頻器直流母線電壓高于20%時，斬波器開始工作），所以當傳動單元在大部分運行時間內都處于制動模式時，其中間回路的直流電壓將會升高，效果相當于電源電壓上升了20%。在決定電動機絕緣要求的時候，應該要考慮這種電壓的升高。也就是說對于1140 V等級的變頻器，對應電動機的經常性耐受電壓必須達到3078 V×1.2=3693.6 V。該礦選擇下山皮帶電動機的絕緣時并沒達到上述要求。

5 解決辦法

根據以上的分析，應從兩個方面考慮加以解決，一是提高整個系統對尖峰電壓沖擊的耐受能力；二是降低沖擊電壓，改善設備工作環境。下面提供的幾種解決辦法，可綜合考慮。

（1）在更換或檢修電動機時，檢查電動機絕緣，確認其能承受最大電壓。

（2）加裝用來抑制高次諧波脈沖的輸出電抗器，其原理是將高次的波頭用斬波器直接斬掉，使其不進入電動機線圈。

（3）加正弦波濾波器。濾波后的尖峰相電壓大約為1.5倍的電源電壓，非常接近于正弦波。因此正弦波濾波器能對電動機絕緣系統起保護作用。

（4）由于傳動單元處于制動模式時，電動機端子上的電壓高，所以在滿足生產需求的情況下，盡可能使電動機平穩工作于電動狀態，這樣可以降低電動機內的感應電動勢，減少負荷沖擊，降低感應電壓突然升高的可能性。調節刮板機變頻器的轉速，控制其給煤量，使帶式輸送機不超速。

（5）將變頻器更換為能夠反饋發電的ACS800-17系列產品，該系列變頻器可四象限運行，并且反饋發電時的電壓也是可調的。這不僅對電動機的絕緣有好處，而且通過反饋發電會節約大量電能，產生可觀的經濟效益。四象限運行變頻器與普通變頻器的區別在于:普通變頻器的整流部分采用的是整流二極管，而四象限運行變頻器的整流部分采用了IGBT模塊，與逆變器對稱，這種變頻器能夠支持電動機四象限運行，即正轉電動狀態、回饋制動狀態、反轉電動狀態和反接制動狀態。能量可以從電網側流傳到負載側，也可以從負載側流傳到電網側。但由于該方案需要將變頻器完全更換掉，要追加投資，且更換下來的變頻器暫時沒有用途。

該礦采用了第4種方案，即調節刮板機變頻器的轉速，從而控制刮板機的給料量，使電動機工作于電動狀態。根據實測，刮板機變頻器超過14 Hz時，下山長帶式輸送機電動機將進入發電狀態；工作于14 Hz時，帶式輸送機電動機恰好工作于電動狀態。從2009年年底開始，將刮板機變頻器設定為14 Hz，輸送機電動機工作于電動狀態，運行后，沒有出現燒電動機的情況。

6 結語

采用變頻控制的下山輸送帶式輸送機電動機處于發電狀態時，解決方案有2個:一個是采用制動斬波器，將電動機發出的電能消耗在制動電阻上。該方案不僅沒能利用生產過程中產生的電能，而且存在設備故障隱患。另一個是采用四象限運行的變頻器，不僅能消除設備隱患，提高設備的可靠性和穩定性，而且可以自動并網發電。其缺點是一次性投資較大，但投資成本很快由于并網發電產生的效益而被收回。因此，筆者從安全生產和節能增效的角度建議:對于新建礦井運輸項目，其下運帶式輸送機的電動機控制，盡量采用可四象限運行的變頻器；對于已采用制動斬波器進行控制的下運輸送機，應盡早抓緊改造，采用可四象限運行的變頻器。

總之，為了保證井下安全生產、電動機的正常運轉，針對上述電動機燒毀的原因分析，除p擊電壓外，我們必須搞好安全質量標準化，加強電動機的適當p維護，強化機電設備管理，實行強制檢修包機制，提高職工素質，做好專職司機和檢修人員的安全技術培訓工作；提高他們的技術水平，并嚴格執行各項規程制度，以減少井下設備損壞；減少影響生產的時間；確保煤礦的安全生產、經濟運行；同時又是節支降耗的好辦法。

［1］李予魯.帶式輸送機綜合保護裝置的工作原理與使用［M］.北京:煤炭工業出版社，2004.

［2］張宗桐.變頻器應用與配套技術［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［3］《機械工程標準手冊》編委會.《機械工程標準手冊》［M］.北京:中國標準出版社，2003.

［4］韓安榮.通用變頻器及其應用第2版［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［5］李雍.電力系統電氣設備安裝調試、運行維護、故障檢修與常數據及標準規范實務全書［M］.北京:當代中國音像出版社，2005.