岸邊集裝箱起重機電氣設備失效模式與識別*

吳文祥 岑 果 丁高耀 沈 崢 徐圣永

1寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048 2慈溪市市場監督管理局 慈溪 315300

0 引言

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）是港口集裝箱運輸的重要基礎裝備，自1979年我國成功研發首臺岸橋[1]，歷經40余年的發展，岸橋已廣泛應用于國內港口。以寧波港為例，截至2021年底，在用岸橋已達147臺，且大部分設備額定起重量在61 t以上，不少設備的服役時間已超過15 a[2]。由于海邊高濕、鹽霧環境的侵蝕，電氣設備故障屢見不鮮，故開展岸橋電氣設備失效模式與識別方法的研究非常重要。

目前，岸橋定期檢驗主要根據安全技術規范規定的檢驗項目對涉及其安全運行重要指標的當前狀況進行符合性驗證，尚未對缺陷的根源、后果及潛在缺陷進行系統分析。針對上述問題，本文在岸橋定期檢驗缺陷分析，使用單位問卷調查的基礎上，提出電氣設備典型失效模式與識別方法。實施過程中累計調取了寧波地區岸橋定期檢驗檔案432臺次，發放并回收有效調查表71份。

1 電氣設備組成

岸橋的電氣設備主要由供電系統、控制系統、驅動系統等組成[3-5]，如圖1所示。其中，供電系統連接碼頭變電站，為岸橋運行提供電能，其工作負荷通常達到1 000～2 500 kW，少數達到3 000 kW以上，為減少供電電纜的電流值，通常采用高壓供電的方式，供電電壓主要有3.3 kV、6 kV、10 kV共3種。整個系統主要包括高壓電纜、地面供電坑、供電滑環箱、電纜卷盤裝置及其控制系統、高壓開關柜、驅動變壓器等。

圖1 岸橋電氣設備架構

驅動系統通常采用交流驅動的形式，主要由驅動濾波柜、驅動輔助柜、驅動進線柜、驅動整流柜、變頻柜和變頻電動機等組成，實現整流→濾波→逆變→驅動等步驟，其中整流部分將交流電變成直流電；濾波部分由電容、電感等元器件組成，用于減少諧波對電網的影響；逆變部分是將直流電變為可控的交流電，實現變頻調速。變頻電動機包括大車電動機、小車電動機、起升電動機、俯仰電動機等。

控制系統通常采用可編程邏輯控制器（PLC）作為核心，由主控制柜、接觸器柜、司機室觸摸屏、機房操作站、俯仰操作站、大車操作站、起重機管理系統（CMS）等組成，其中起重機管理系統安裝于工控機上。位于主控制柜內PLC的輸入信號包括司機室觸摸屏指令信號、各操作站指令信號、限位開關信號、超速開關信號等，輸出信號為給各變頻電動機、接觸器等執行機構的控制信號。PLC與各交流變頻器之間通過現場總線通訊，與安裝有起重機管理系統的工控機之間通過工業以太網通信。起重機管理系統可查看分析岸橋運行狀態、各運行機構運行信息等。

2 供電系統故障模式與識別

供電系統的可靠性和安全性直接影響岸邊集裝箱起重機的使用狀況。供電系統的故障主要發生于電纜卷盤裝置、拖令機構等部件。表1所示為供電系統主要故障及對應的故障原因。

表1 供電系統主要故障及原因

對于高壓電纜，可沿電纜延伸或纏繞的方向檢查表面是否有破損或異物。目視檢查電纜的直徑是否有突然變大或變小的部位，如有則表明電纜發生過拉伸或扭曲。對于接線箱，可檢查接線箱內電纜接線柱及銅排有無放電燒蝕的痕跡，電纜終端絕緣層有無放電痕跡及破損。接線柱、銅排及絕緣子上方是否有凝結的鹽霧污物。對于電纜卷盤系統，可對手動收放纜功能、電纜過緊限位、電纜過緊限制器彈簧進行功能試驗。過緊限位及限制器彈簧應在電纜過緊時使系統停止工作，并使卷盤反向運行將電纜放松。試驗時可以手動按壓電纜過緊限位開關的觸頭，此時限位內觸點脫開，電動機運行使電纜放松。對于限制器彈簧，可進行按壓，檢查是否能夠在足夠大的壓力下進行動作。對照歷史記錄，檢查變頻器參數、力矩數值設置是否有變化。對接地系統電阻過大或斷路可通過接地電阻儀進行測試，根據TSG Q7015—2016《起重機械定期檢驗規則》要求，對于保護接零系統，起重機械的重復接地或防雷接地的接地電阻不大于10 Ω，對于保護接地系統的接地電阻不大于4 Ω，且起重機械本體的金屬結構應與供電線路的保護導線可靠連接。對漏電保護器動作是否正常的檢查，可通過按壓漏電保護器的測試按鈕，檢查漏電保護器是否跳閘。

3 驅動系統故障模式與識別

岸橋驅動系統的故障主要發生于變頻器、起升電動機、俯仰電動機、大車電動機及小車電動機等，特別是起升電動機和小車電動機工作強度最大，易發生故障。驅動系統的主要故障及原因如表2所示。

表2 驅動系統主要故障及原因

對于變頻器故障的識別可根據變頻器顯示的故障代碼，對故障原因進行逐一排除，識別故障根源。對于電動機故障識別的主要方法有振動測試[6]、絕緣測試[7]等。

1）電動機振動測試 振動測試是電動機故障診斷的重要方法之一，電動機的很多故障都以振動的形式表現出來，通過測量振動信號并分析，可以識別電動機工作狀態。采用振動傳感器、信號調理采集器、工控機等設備，在電動機上布置測點，采集電動機的振動信號。通過對采集的數據進行預處理、統計分析，選取振動的烈度等特征指標來判斷電動機的工作狀態。

2）電動機絕緣測試 電動機及其外殼因絕緣材料老化等原因導致的絕緣性能降低可采用測試電動機繞組絕緣電阻的方法進行識別。采用歐姆表測試繞組的絕緣電阻，根據電動機的額定工作電壓確定選用的兆歐表的規格，如表3所示。

表3 兆歐表選用規格 V

可在電動機停機斷能，繞組表面溫度與環境溫度基本相同的情況下測量繞組的絕緣電阻。為保證測量數據的準確性，兆歐表測量時需要5～10 s的穩定時間。根據GB 14711—2013《中小型旋轉電動機通用安全要求》規定，對于額定工作電壓在1 100 V以下的電動機，絕緣電阻應不低于5 MΩ。

4 控制系統故障模式與識別

岸橋控制系統的故障主要發生于接觸器、熱繼電器、相序保護繼電器等元件。控制系統的主要故障及原因如表4所示。對于接觸器的損傷故障可通過檢查動靜觸頭、鐵芯、線圈、傳動部分等進行識別。

表4 控制系統主要故障及原因

1）檢查動靜觸頭的接觸情況 ①取下滅弧罩，檢查動靜觸頭的燒傷情況，輕微燒傷可用細銼銼平后，用細砂布打磨，燒傷嚴重的應更換新觸頭；②檢查接觸面的重合性，接觸面積大于8%；③接觸器在合閘位置時，檢查動靜觸頭的壓力情況；④檢查動觸頭系統與傳動部分絕緣應完整無裂紋，無老化現象；⑤檢查各導電部位連接牢固，螺絲應有彈簧墊圈，各彈簧無脫落變形。

2）檢查鐵芯情況 ①檢查動靜鐵芯接觸面是否緊密；②檢查動靜鐵芯接觸面應清潔無銹，銜鐵吸動及返回要靈活，不能有卡澀，無異常聲音或噪聲；③鐵芯閉合其接觸面積不應小于90%；④檢查鐵芯的短路環要牢固、不松動，如有裂紋或損壞的要更換，短路環許可溫度為110℃。⑤鐵芯應固定可靠，靜鐵芯應有一定的緩沖力，其后面彈簧應完整無變形。

3）檢查線圈情況 ①檢查線圈上是否有灰塵油污，線圈引出線是否有損傷；②測量線圈絕緣電阻，采用1 000 V兆歐表測量時，不低于1 MΩ；③運行中檢查線圈表面溫度，不得超過70℃，線圈外觀應無變色。

4）檢查接觸器傳動部分情況 ①傳動部分無卡澀現象；②傳動部件無裂紋，各螺絲牢固。

5）檢查滅弧罩情況 檢查滅弧罩應完好，無裂紋破損，無受潮。

對PLC控制系統受到干擾，可通過各機構的模擬動作，判斷PLC的輸入、輸出是否正常。失壓保護裝置是否失效可通過模擬斷電的方式進行確認，當起重機供電電源中斷后，凡涉及安全或不宜自動開啟的用電設備均應處于斷電狀態，避免恢復供電后用電設備自動運行。對零位保護功能失效，可通過模擬試驗進行確認，運行中若因故障或失壓停止運行后，重新恢復供電時，機構不等自行動作，應人為將控制器回零位后，機構才能重新動作（采用按鈕控制或能夠自動復位的控制裝置可以不設置）。對電動機定子異常失電保護功能失效，可通過模擬試驗進行確認，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。對超速保護裝置失效，可通過模擬試驗進行確認，采用可控硅定子調壓、渦流制動器、能耗制動、可控硅供電、直流機組供電調速及其他由于調速可能造成超速的起升機構或負載超速會引起危險的起升機構在達到規定速度時應使制動器上閘。

5 結論

本文以岸橋電氣設備為研究對象，剖析供電系統、驅動系統和控制系統的主要失效模式和識別方法。對確定危險源、判斷損傷模式及分析其潛在的風險具有指導意義，有利于提升岸橋定期檢驗、日常巡檢等工作的針對性和效率。