起升機構電動機定子異常失電的原因分析

陳 序 李向東

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036）

起升機構電動機定子異常失電的原因分析

陳 序 李向東

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036）

本文初步對起升機構電動機定子可能出現異常失電的情況進行分析和探討，為電動機定子異常失電保護功能的設計實現打下基礎。

起升機構電動機 定子異常失電 原因分析 接觸器 調速裝置

對電動機定子異常失電保護功能的要求，最早可以追溯到2007年的鐵嶺清河特鋼“4．18”鋼水包傾覆特別重大事故后，國家質檢總局特設局發布了《關于冶金起重機械整治工作有關意見的通知》（375號文），其中首次提到了“正反向接觸器故障保護功能”。之后在緊急出臺的TSG Q0002—2008《起重機械安全技術監察規程-橋式起重機》吸收了“375號文”專項整治的成果，明確提出了“吊運熔融金屬的起重機，起升機構應具有正反向接觸器故障保護功能”。同時相關的標準在進行修訂時，也考慮到此方面內容，并進一步完善。GB/T 3811—2008《起重機設計規范》7．4．6條和GB 6067．1—2010《起重機械安全規程 第1部分：總則》8．6條對電動機定子異常失電保護提出了要求“起升機構電動機應設置定子異常失電保護功能，當調速裝置或正反向接觸器故障導致電動機失控時制動器應立即上閘”。2016年新修訂再版的TSG Q7015—2016 和TSG Q7016—2016也提出了類似要求。然而，要在設計中實現符合規范、標準要求的定子異常失電保護功能，其前提是全面分析起升機構電動機可能出現定子異常失電的各種情況及其原因。下面將對電動機定子可能出現的異常失電情況進行分析。

1 電動機定子異常失電情況分析

電動機正常失電是指根據操作指令控制接觸器或調速裝置，讓電動機斷電停止運行。而異常失電則是操作指令需要電動機運行，而電動機卻斷電無法運行的情況。雖然起重機各機構均有電動機且導致電動機異常失電的情況很多，如停電等。但是由于起升機構屬位能性負載的特殊性，以及正反向接觸器和調速裝置是直接控制起升電動機的運行。所以法規、標準要求的定子異常失電僅指起重機起升機構正反向接觸器和調速裝置出現問題所導致的情況。下面按照調速方式的不同，分為接觸器故障和調速裝置故障兩大類分別介紹。

1.1 接觸器故障

如圖1所示，接觸器主要由觸點系統、電磁系統、滅弧裝置和其它部件組成。圖2是接觸器產生故障的魚刺圖，其主要部件出現問題均能導致接觸器故障。

圖1 接觸器結構示意圖

圖2 接觸器常見故障原因圖

下面列舉幾種常見的情況：

●1.1.1 觸點熔焊

通過電器觸點的電流超過觸點本身的額定電流，或由于電器老化，觸點之間電阻增大致使觸點發熱直至熔合粘連叫觸點熔焊。初期較輕的觸點粘連不影響接觸器的正常工作，但是此時觸點表面已經不平整，很容易造成進一步的觸點熔焊，使接觸器觸點不能正常分斷。

造成觸點熔焊的原因很多。接觸器的觸點是銀合金，好的觸點銀含量在80%以上。當觸點表面的銀合金觸點由于觸點磨損燒蝕殆盡，銅觸點座就會粘連。如果接觸器的容量選擇的稍小，則很容易在持續的大電流作用下使觸點熔化，造成粘接。操作頻率過高或超負荷使用也會導致觸點融合，此種情況可以通過線路的過載保護功能來避免。此外觸點壓力太小，會造成觸點接觸電阻增大，引起觸點嚴重發熱也會導致觸點熔焊發生。

正反向接觸器觸點熔焊有可能會導致起重機誤動作及設備損壞（如相間短路），不過起重機的緊急停止功能、短路保護、過載保護等功能可以避免一些嚴重后果的發生，所以一般不會造成定子異常失電。

●1.1.2 觸點燒損

接觸器觸點燒損是比觸點熔焊更嚴重的故障，可能將整個觸點燒掉或有爆炸狀銀粒飛濺。

觸點燒損的原因和觸點熔焊的原因類似，可能是接觸器本身質量問題或是選型不當以及操作頻繁等原因。還有一種情況需要注意的是缺相，缺相可能是線路問題或是由于起動電流過大造成某相觸點首先燒損而缺相，最后因為缺相造成電流更大將其他觸點燒掉，或者將電動機燒掉。缺相可以通過缺相保護器來保護，但是目前大多數起重機只在總電源進線端裝有錯相和缺相保護器，其保護范圍只限于總電源端，無法覆蓋起升機構。

觸點燒損能導致接觸器無法正常工作，甚至導致電動機接線柱或電動機燒壞，而目前現有的起重機保護能力較低，是設計定子異常失電保護功能時需要著重考慮的。

●1.1.3 觸點接觸不良

接觸器因長期使用，觸點表面不干凈、銹蝕、變形、磨損、由于電弧燒蝕造成凹凸、氧化、毛刺、以及機械卡阻等缺陷，反映到工作中變現為觸點接觸不牢、有間隙、接觸面積下降、電阻變大、觸點溫度過高，更加嚴重的時候可導致接觸器不導通。

觸點接觸不良是長期使用的接觸器中常見的故障之一，特別是那些在惡劣環境中使用卻得不到良好維保的起重機。

●1.1.4 線圈故障

線圈故障現象很多，常見的有線圈引出線的連接處脫落、線圈燒毀或斷線等，較多發生的是線圈燒毀。其原因有電壓過高或過低、選型錯誤、鐵芯油污、機械卡阻、吸合磁隙過大等，環境方面的因素如通風不良、過分潮濕、環境溫度過高等，都會引起這種故障。

線圈是接觸器的動力源泉，其質量的好壞直接影響到接觸器工作的可靠性，而線圈的常見故障比較隱蔽，對接觸器危害性更大，可直接導致正反向接觸器失效。對于電壓過高或過低導致的線圈燒毀，可通過起升動力回路中的斷路器提供的過壓/欠壓保護功能進行預防。其它原因導致接觸器因線圈故障而不能正常工作時，因其對應的制動器控制回路中輔助觸點也不能動作（回到初始斷開狀態），制動器因此會斷電抱閘。但極端情況時如果輔助觸點粘連、卡阻導致輔助觸點不能斷開，則制動器可能無法正常抱閘。

1.2 調速裝置故障

起重機中常見的調速裝置包括直流調速裝置、定子調壓調速裝置和變頻器等。直流調速裝置目前使用量很少，這里只介紹變頻器和定子調壓調速裝置。

●1.2.1 變頻器

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電動機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。如圖3所示，變頻器主要由整流器 （交流變直流）、濾波、逆變器（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、CPU處理單元等組成。

圖3 通用變頻器結構示意圖

圖4通過故障樹形式列舉了變頻器的常見故障及原因。可見引起變頻器故障的原因很多，包括了自身軟硬件問題以及外部回路。例如常見的變頻器“溜鉤”現象就屬于軟件設定問題。不過通過圖3也可以發現，變頻器通過對多項參數的檢測，能夠發現大多數的故障，及時輸出報警信號。特別是電動機轉速和電流檢測反饋功能，可發現電動機定子異常失電的情況。

圖4 變頻器故障解析

●1.2.2 定子調壓調速裝置

定子調壓調速裝置的結構（圖5）與變頻器類似，因此變頻器的常見故障在定子調壓調速裝置上也有類似情況。同時定子調壓調速裝置也配備了故障自診斷能力。定子調壓調速裝置功率元件選用了晶閘管，而晶閘管的可靠性略低于變頻器使用的IGBT等新型功率晶體管，這是其經常發生故障的原因之一。定子調壓調速裝置是直接控制制動器的，相比于變頻器是個不小的安全隱患，在設計定子異常失電保護功能時需特別考慮裝置因爆炸等極端情況下能否保證制動器正常動作。另外，早期的定子調壓調速裝置中晶閘管單元只能實現調速（只有三組模塊，換向需五組模塊），仍然保留了正反向接觸器用于電動機換向，而且定子調壓調速裝置需要通過分級切換轉子的串接電阻來實現擴大調速范圍。因此設計實現定子異常失電保護功能時還需要考慮接觸器故障的因素。

圖5 定子調壓調速裝置結構示意圖

2 典型案例

1）2007年鐵嶺清河特鋼“4．18”鋼水包傾覆特別重大事故，導致32人死亡，6人重傷，直接經濟損失866．2萬元。如圖6所示，事故的直接原因就是下降3檔過渡4檔時，下降接觸器FC控制回路中的一個互鎖常閉輔助觸點ZC銹蝕斷開，下降接觸器FC不能被接通，致使驅動電動機失電；由于電氣系統設計缺陷（制動器接觸器ZDC自鎖），制動器未能自動抱閘，導致鋼水包失控下墜。

圖6 起升機構正反向接觸器電路原理圖

2）一臺橋式起重機的定子調壓裝置多次快速燒熔，而且晶閘管單元輸出經常為兩相，偶爾為一相。故障主要原因是由于觸發脈沖錯誤或誤觸發，造成調壓裝置中一相晶閘管還沒來得及關斷，而另一相已導通，導致參與換相的兩相短路。

3）2007年8月，某鋼廠一臺從事重軌裝坑作業的起重機主起升機構突然出現不升不降的情況。經檢查故障的原因是起重機工作環境惡劣，環境溫度達70℃，而電氣室無有效降溫措施，導致溫度超過定子調壓調速裝置設計工作溫度，造成絕緣能力下降，晶閘管內阻過低趨于擊穿，晶閘管不能可靠的導通或關斷。此外輸出控制板損壞也是原因之一。

3 結束語

起重機起升機構是位能性負載，一旦電動機失電而制動器沒抱閘的情況發生時吊重就會在重力的作用下墜落導致事故，正反向接觸器和調速裝置做為控制電動機運行的直接器件，失效往往會直接導致電動機定子失電，從本文的分析可以看出正反向接觸器和調速裝置均有失效的風險，特別是正反向接觸器的失效風險較大，所帶來的后果也是極為嚴重的。因此在設計環節設置定子異常失電保護功能，尤其是吊運熔融金屬等易發生重大危險的起重機是十分必要的；而進行起升機構電動機定子異常失電的原因分析，則是保證設計質量和保護功能有效的前提條件。

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Reason Analysis of Abnormal Power Failure of Hoisting Mechanism Motor Stator

Chen Xu Li Xiangdong
（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Nanjing 210036）

In this paper, a preliminary analysis and discussion on the abnormal power failure of the motor stator in the hoisting mechanism is carried out, which lays the foundation for the design of the motor stator abnormal power failure protection function.

Hoisting mechanism motor Motor stator abnormal power failure Cause analysis Contactor Speed adjusting device

X941

B

1673-257X（2017）03-0075-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．015

陳序(1984～)，男，本科，工程師，從事起重機械檢驗檢測工作。

2016-08-10）