設備接地故障解決方案

紀天平

廈門國際貨柜碼頭有限公司

1 引言

某公司的岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)在生產作業過程中，曾經出現2起電氣故障。第一起是2018年6月，QC8#岸橋生產時，吊具電控柜內的小型繼電器在無工作指令信號時，出現吸合動作。第二起是2019年5月，QC10#岸橋控制吊具電纜卷盤的變頻器在無工作時，其外接的能耗制動電阻出現半邊溫度過高冒煙的現象。這兩起故障都是因設備接地故障而引發的。通過分析故障的起因并制定設備接地故障的保護措施，從而保證設備的安全生產。

2 QC8#接地故障與保護措施

2.1 技術改進的背景

圖1 QC8#吊具接地故障分析圖

QC8#岸橋生產時，吊具電控柜內的小型交流繼電器，在PLC無輸出指令時出現吸合動作。根據電控原理圖分析，QC8#的吊具電源由輔助變壓器提供，其參數為10 kV380 V、200 kVA，變壓器中性線未接地(見圖1)。控制吊具電磁閥動作的是小型交流繼電器(線圈規格AC220 V/10 mA,XL=22 kΩ)，線圈一端接電源中性線N，另一端接PLC輸出信號。傳輸電纜是鋼絲鎧裝電纜，鋼絲接地，長度約100 m。所有控制信號線和接地體相當于若干個小電容，測量容量大約為1.59 μF，容抗計算公式為：

Xc=1/Wc=1/(314×1.59×10-6)=2 kΩ

(1)

當輔助變壓器三相電中的任一相碰殼接地后，因輔變中性線未接地，未能構成接地電流回路，所以Q2空氣開關未能跳閘保護，零線和地之間電壓VEN由0變為220 V。此時吊具上小型繼電器的線圈相當于串聯一個容抗為2 kΩ的小電容，接在220V電源上，電路的阻抗和電流計算公式如下[1]：

Z=XL-XC=20 kΩ

(2)

I=VEN/Z=220/20=11 mA

(3)

電路電流值滿足繼電器吸合條件。通過實驗證實，該型號繼電器線圈串接容量小于1.59 μF的小電容(400 V/105 J)，接在220 V/50 Hz交流電源上，繼電器能正常吸合。當輔助變壓器任一相電源碰殼接地后，由于電路中電容耦合效應的作用，造成吊具柜內的小型交流繼電器出現吸合的故障現象。QC8#岸橋在設計時，未考慮到吊具電纜的電容耦合效應，會干涉小型交流繼電器的正常工作。碰殼故障排除后，VEN由220 V變為0，吊具內繼電器恢復正常。

岸橋在吊裝集裝箱作業時，若吊具半空中誤開鎖，會存在摔箱的危險性。因此必須排除因輔變電源接地，引發吊具繼電器誤動作的危險因素。

2.2 技術改進措施

解決QC8#吊具接地故障問題，目前有3種方案可以選擇。

第一種方案是輔助變壓器中性點接地保護。考慮到岸橋是高空設備，本身整機外殼都是接地體，而且廈門地區春夏時節雷雨天氣較多，若雷電通過輔變中性點串到PLC、變頻器等電器上，會造成主要電器損壞，修復成本相當高，不宜采用此方案。

第二種方案為避免交流控制信號的電容耦合效應，吊具交流控制信號改為直流信號，同時將交流繼電器更換為直流繼電器。此方案不但工作量相對較大，而且人身觸電的危險性依然存在，所以也未采用。

第三種方案是在司機室安裝一個接地故障檢測繼電器E(見圖1)，它輸入PLC I/O Input點為%I01433，同時在PLC程序段增加%I01433點(見圖2)。當發生電源接地故障時，繼電器E吸合，程序檢測到I01433信號為ON時，COPRM(Control On Permit 控制接通允許)線圈自動斷開，岸橋控制跟著斷開，所有機構停止工作(包括吊具油泵)，防止吊具誤動作，起到安全保護作用，同時可根據程序的故障點，排除故障。

圖2 QC8#控制接通允許程序截圖

綜合分析利弊，決定采用第三種方案。技術改進措施完成后，排除了QC8#岸橋接地故障引發吊具交流繼電器誤動作的隱患，保證設備的安全生產。

3 QC10#接地故障與保護措施

3.1 技術改進的背景

圖3 QC10#能耗制動電阻接地故障分析圖

QC10#岸橋的吊具電纜采用卷盤來收放，驅動裝置是英國CT變頻器，采用恒轉矩控制，保證吊具電纜一直處于收緊狀態。變頻器的電源由主變壓器提供，主變壓器的中性點接地(見圖3)。當吊具下降時，電纜帶動電機反轉，使電機變為發電機，回饋到直流母排上；當變頻器檢測到直流母排電壓VDC超過設定值(570 V)時，觸發IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管)工作，能耗制動電阻投入工作，消耗回饋電能，最大能耗電流測算為26 A；當VDC小于設定值時，能耗制動電阻工作斷開。

2020年5月，QC10現場維修保養時，在岸橋未工作和CT變頻器無故障顯示的情況下，發現變頻器外接的能耗制動電阻出現半邊溫度過高冒煙的現象。檢查發現能耗制動電阻金屬支撐柱中間的陶瓷絕緣子破裂，導致能耗制動電阻金屬片靠在金屬支撐柱上，造成接地故障，但變頻器的電源空開1Q1(IN=56 A)未跳閘。接地電流回路為三相電(U、V、W)→二極管整流→直流母排L+→能耗制動電阻→接地點→EN→變壓器二次繞組→(U、V、W)相。接地回路電阻值RE=能耗制動電阻/2=11 Ω。接地電流和接地電流消耗功率計算公式分別為：

IE=U/RE=220/11=20 A

(4)

P=IE2RE=202×11=4 400 W

(5)

因IE(20 A)

3.2 技術改進措施

首先更換破裂的陶瓷絕緣子，同時對能耗制動電阻進行清潔、加固。運用Syptlite軟件編輯增加CT變頻器的能耗制動電流檢測保護程序，程序如下：

If #10.11=0 Braking IGBT active能耗制動IGBT 未工作 #4.28 >150能耗制動電流大于1.5AThen#10.12=10=Braking Resistor healthy ，1= Braking Resistor AlarmEnd

變頻器通過Profibus與PLC進行通信，將變頻器狀態字回饋PLC。當能耗制動IGBT未工作時，變頻器檢測到能耗制動電流大于1.5 A，變頻器顯示故障。同時在PLC程序段增加吊具能耗電阻接地故障中間變量點M03306，其對應CT變頻器的#10.01參數(見圖4)。當能耗電阻接地故障時，M03306為ON，COPRM線圈斷開，岸橋控制自動斷開，所有機構停止工作，起到安全保護作用，同時可根據程序的故障點，排除故障。

圖4 QC10#控制接通允許程序截圖

4 結語

探討岸橋變壓器中性點N是否接地的2種情況下，岸橋設備電氣接地故障，制定相對應的技術改進措施給以排除。做好設備接地故障的保護，是保證設備正常運行的重要技術措施。