關于大型同步電機失步停機的故障分析

白鳳雷

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200)

大型機組的驅動電動機為隱極式轉子高壓無刷勵磁同步電動機，啟動和同步由勵磁控制系統(ECS)控制，同步電動機采用無刷勵磁技術，因此能夠將滑環、碳刷、火花等問題加以克服[1]。同步電動機有超強的抗過載能力，具備恒定的轉速，可以根據需要調整功率因數，在轉矩方面較少受到電源電壓之影響，因此在大型高爐煉鐵鼓風機中，采用同步電動機較為普遍，已成為當今世界煉鐵裝備發展的趨勢之一[2][3]。

1 事情經過

2020年8月7日，某公司高爐鼓風機主控室上位機發出主電機停機報警信息。崗位人員立即查看主機電流、逆止閥等狀態，確認機組停機后，立刻啟動應急預案，快速開啟撥風系統的快開閥進行應急處理，避免事故發生，并組織啟動備用機組，及時恢復了生產。

2 原因分析

故障發生后相關人員立即到現場進行事故處理及分析，通過對現場勵磁柜進行檢查，發現勵磁柜有如下報警信息顯示。

（1）A073/AL電機失步監控啟動。

（2）F074/SD電機失步故障。

2.1 造成同步電機失步保護動作主要有三種情況

（1）由于供電電源或與電網的短暫中斷而導致的“斷電失步”。

（2）由于電機負荷的大幅度突變，導致電機失去動態穩定而導致帶勵失步[4]。

（3）由于電機勵磁系統或勵磁電源故障以及某些不正常狀態，導致電機失勵或嚴重欠勵，失去穩定而滑出同步導致失勵失步[5]。

2.2 直接原因分析

結合2.1所述的幾種失步情況，組織對此次故障進行系統排查。

2.2.1 供電電源系統排查

對風機主電機供電電源系統進行檢查，調取110 kV主變系統故障錄波，未發現系統電壓電流發生較大波動，故排除第一種情況。

2.2.2 負荷波動情況排查

對風機負荷情況進行檢查，調取風量、電流電壓運行參數曲線，未發現大的波動，也排除第二種情況。

2.2.3 勵磁系統狀態排查

調取與勵磁系統相關的勵磁電流和功率因數曲線，發現電機的勵磁電流以及功率因數均發生突變。勵磁電流從82.5 A下降至58.9 A，再升高至145 A又降至58.3 A后停機，功率因數變化值為-0.99、-0.98、-0.86、-0.93。

發現此問題后，立即組織專業人員對電機現場勵磁機進行檢查，經現場確認勵磁機定轉子均無故障點后，將排查重點放在勵磁控制系統。勵磁通信系統網絡圖見圖1。

在對勵磁控制系統排查過程中發現勵磁柜7UM62綜保裝置與PLC存在通信故障，此通信故障在電機停機后仍然間歇性出現。通信故障報文見圖2。

圖1 勵磁通信系統網絡圖

圖2 通信故障報文

通過對電機恒功率因數調節模式邏輯分析得知，西門子7UM62綜保裝置內置模擬量輸出通信模塊，是通過PROFIBUS DP將測量的電壓、電流、有功、無功功率等值，傳輸給勵磁柜PLC做勵磁電流PID調節，當DP網段中有站點發生閃斷時，首先延時一定時間后，如果故障沒有恢復會造成數據傳輸丟失，立即將故障信息發送給停機邏輯聯鎖程序。通信診斷功能塊見圖3。

經過在實驗室搭建測試平臺，再次驗證7UM62綜保裝置通信中斷期間，勵磁柜PLC無法準確從7UM62綜保裝置讀取電流、有功、無功等數據（見圖4）。因此，可以判斷7UM62綜保裝置通信故障是導致電機勵磁調節失控，電機失去動態穩定而失步，造成3#高爐鼓風機電機跳機的直接原因。

圖3 通信診斷功能塊

圖4 7UM62與S7-300的通信仿真測試

2.3 管理原因分析

專業人員對進口西門子綜保、勵磁系統關鍵性的認知不夠深入，僅按照《繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》（DL/T 995-2016）要求，對保護裝置的保護邏輯功能、引入端子外的交直流回路、操作回路以及輔助繼電器進行周期性檢驗，校驗周期為6年[1]。但沒有對綜保裝置通信功能進行有效的檢測。同時存在著對大型傳動設備的勵磁控制系統、PLC控制系統內部程序解讀、邏輯關系、數據傳輸、關鍵點的控制等方面駕馭能力不足；勵磁變頻系統程序、邏輯控制方面技術力量單薄；缺少類似的故障經驗總結等問題。

所以針對正常運行時無法開柜檢查的關鍵設備，日常點巡檢過程中對隱蔽部位設備設施缺乏有效的檢查手段；對內部元件已接近可靠使用壽命周期的認識不足，缺乏產品設計、制造方面的專業知識；未能先期發現在線運行關鍵設備內部隱患，提前制定積極有效的應對措施及合理的更換周期，都是造成此次故障的管理原因。

3 改進措施

（1）組織維護人員對電機7UM62綜保裝置進行更換，重新配置參數，在確認勵磁系統狀態正常后，開機試驗運行正常，恢復備用。

（2）依據《繼電保護和安全自動裝置運行管理規程》（DL/T 587-2016）“3.7微機保護裝置的使用年限一般不低于12年,對于運行不穩定、工作環境惡劣的微機保護裝置可根據運行情況適當縮短使用年限”的規定，同時結合7UM62綜保裝置已達11年使用年限的現狀，計劃在系統檢修期間，對同批次的7UM62綜保裝置進行預防更換，徹底消除安全隱患。

（3）堅持問題導向，解決突出關鍵問題。開展微機綜合保護裝置深層次技術交流，從設備的研發、設計理念、制造工藝、控制邏輯角度入手，深入交流設備的內部結構及原理，避免長期運行的設備出現不受控點。同時，針對關鍵設備運行狀態和技術規范，增加在線局部放電等檢測手段，預判關鍵設備的劣化趨勢，提前制定并執行相應的改善措施，提升關鍵設備的穩定性。

4 結語

根據以上的分析結果，再次驗證了電子元器件的可靠使用周期一般為10年左右，在采取積極改正措施后，能夠消除大型機組運行中可能存在的不穩定因素。在實踐中針對關鍵設備應采取有效的方法對其進行管理維護，確保能夠正常運行，為公司的安全穩定可靠運行提供重要保障。