輥道電機接地造成西門子S120 公共直流母線系統故障的研究與對策

劉國華，馬 翔，魏 杰，王 軍

（首鋼長治鋼鐵有限公司設備處，山西 長治 046031）

0 引言

首鋼長鋼軋鋼廠有4 條生產線，即：棒材生產線、高速線材生產線、棒線復合型生產線（高棒、高線雙線）和型鋼生產線。其中，軋鋼廠棒線加熱爐輔助傳動系統采用西門子S120 公共直流母線傳動系統，即1組SLM（Smart Line Module）回饋整流單元+多個逆變單元組成，多個逆變單元分別控制加熱爐區的熱送輥道、入爐輥道、懸臂輥道和出爐輥道等設備。在多電機傳動系統的設計中，大都采用將多個逆變單元的直流側正負端子分別連接在一起，形成直流公共母線傳動系統。該系統各逆變單元之間可以相互傳遞能量，從再生發電負載側回收能量，可減少交流輸入線路、交流輸入熔斷器和接觸器等部件，減少機柜數量。但是，逆變單元不易和系統隔離,逆變單元控制的任何一個電機有故障，都會引起整個傳動系統掉閘。

1 西門子S120 公共直流母線傳動系統概要

西門子S120 公共直流母線傳動系統，一般由1個控制單元CU320、1 個電源模塊和多個電機模塊構成，如圖1 所示。電源模塊提供電壓源直流母線，電機模塊通過公共直流母線互連，電機模塊共用一個直流母線，模塊間可以交換能量。也就是說，如果一個電機模塊在產生電能（發電機模式），另一個電機模塊可以使用該電能（電動模式）。這種電機模塊與電機模塊之間的直接能量交換將系統中的損耗功率降至最低，因此，廣泛應用于冶金行業的輥道控制系統中。

圖1 西門子S120 公共直流母線傳動系統圖

該傳動系統的缺點是電機模塊單元不易和系統隔離，電機模塊控制的任何一個電機有接地故障，都將對公共直流母線電壓造成擾動，電源模塊的擾動故障將造成所有電機模塊的異常。

軋鋼廠棒線作業區加熱爐區的輔助傳動系統，如圖2 所示，采用西門子S120 公共直流母線傳動系統，4 個電機模塊分別控制加熱爐區的熱送輥道、入爐輥道、懸臂輥道和出爐輥道設備。由于加熱爐區環境溫度高，特別是熱送輥道通風散熱不好、地下水多，經常發生接地故障，每次發生接地故障都會造成故障停車，需盡快找到接地故障電機并進行應急處理，嚴重影響著加熱爐區收料、上料任務的完成。

圖2 軋鋼廠棒線作業區加熱爐區的輔助傳動系統

2 故障分析

因電機接地發生故障，S120 變頻CU320 功率單元的故障報警代碼為F30001、F30021。其中，F30001故障信息為功率單元過電流，可能的原因有：功率單元探測到過電流、閉環控制參數設定錯誤、電機有短路或者接地、設置的斜坡上升時間過小、電機的額定電流遠大于電機模塊的電流、輸入壓暫降時放電電流和補充充電電流很強、當電機過載和直流母線電壓暫降時補充充電電流很強、缺少整流電抗器、在接通時有短路電流、功率電纜連接不正確、功率電纜超過允許的最大長度、功率單元損壞和電源相位中斷等。F30021 故障信息為功率單元接地，可能的原因有：功率電纜接地、電機接地、變流器損壞、立即制動引起硬件直流監控響應、制動電阻短路以及設置的并聯設備上的回路電流控制過慢或者過快等。

接地故障，從現場原因分析，主要為電機和電纜故障兩方面。無論是哪方面的故障，都將產生較大的電流，直接影響電機模塊的供電電壓，從而造成直流母線電壓的擾動，導致母線上所有的電機模塊異常。

問題的原因找到了，電機接地后的故障電流是無法消除的，如何能將故障電流與電機模塊進行隔離是解決該故障的關鍵。

3 解決思路

考慮使用一種電氣隔離設備對故障電流與電機模塊進行隔離。經查詢資料，隔離變壓器是一種很好的電氣隔離裝置，隔離變壓器的原副邊繞線圈是通過磁場來交換能量的，可以電機模塊和電機端進行有效隔離，完全符合要求。

3.1 隔離變壓器的特點

1）抗干擾作用：通過Y/△接線的隔離變壓器后，能夠阻止部分諧波的傳輸。

2）阻抗變換作用：增加系統阻抗，使保護裝置（斷路器）可靠動作。

3）穩定直流母線電壓的作用：如啟動大負荷設備時，可減少對直流母線電壓的影響。

4）防止系統接地的作用：當隔離變壓器負荷側發生單相接地時，不會造成整個系統（隔離變壓器以上部分）單相接地。

5）降低短路電流：當負荷側發生短路時，限制系統的短路電流。

3.2 隔離變壓器選型

通過在電機模塊與輥道電機之間加裝隔離變壓器，在不影響輥道電機轉速和轉矩的前提下，保證在電機或電機電纜發生接地故障時不會造成加熱爐區輔助傳動系統掉閘。

1）選定的隔離變壓器必須滿足一次側和二次側的電壓和電流是相同的，才會不影響輥道電機的轉速和轉矩。

2）隔離變壓器的原副邊繞線圈之間是電絕緣的，沒有物理聯接，通過磁場交換能量，原副邊繞線圈之間由絕緣紙或絕緣條作隔離，原副邊繞線圈各自的電流獨立[1-2]。

因此，選定變壓器的變比為1∶1，可滿足上述兩個條件。

按照熱送輥道、入爐輥道、懸臂輥道和出爐輥道等設備的電機實際運行電流（50～60 A）、環境溫度及堵轉過流（2 倍）等現場實際情況，選用三相風冷干式隔離變壓器，型號為FSG-9090kVA（電壓為380 V/380 V電流為136.74 A），帶繞組溫度報警。

在電機模塊輸出電抗器與輥道電機斷路器之間接入選好的隔離變壓器，輸出電抗器出線端接隔離變壓器一次側，二次側接入現場對應的輥道配電箱斷路器上端，完成改造工作。改造前后逆變單元電路對比如圖3、圖4 所示。

圖3 改造前逆變單元原理圖

圖4 改造后逆變單元原理圖

對輥道電機進行接地試驗，沒有出現逆變單元故障跳閘情況。由于隔離變壓器的阻抗變換作用，接地過電流時只是對應輥道電機的斷路器保護可靠動作，沒有出現加熱爐區輔助傳動系統掉閘現象，更不會影響加熱爐區其他設備的正常運行。經過一段時間的運行，再無因輥道電機接地故障造成的整個輔助傳動系統掉閘的現象，完美解決了之前的故障問題。

4 創新點

4.1 老物新用

隔離變壓器屬于安全電源，一般用來機器維修、保養用，起保護、防雷和濾波作用。隔離變壓器廣泛用于地鐵、高層建筑、機場、車站、碼頭、隧道及工礦企業的輸配電等場所。

將隔離變壓器用來隔離接地故障引起的電流變化屬于老物新用，既能有效保護傳動系統的穩定運行，又能保證故障發生時對輥道電機斷路器的保護可靠動作，避免了系統掉閘故障，也降低了排查接地故障電機所需的時間。

4.2 隔離不隔絕

為了既滿足隔離故障的要求，又不影響輥道電機的轉速和轉矩，選用了變比為1∶1 的隔離變壓器，可以準確地將電機模塊的輸出電壓1∶1 復制到電機斷路器上，雖然沒有了物理連接，但通過磁場轉換可以將能量傳遞出去，做到了隔離不隔絕。

5 應用情況和效益

棒材冷床輥道電機采用的也是該公用母線傳動方式，將該技術應用到棒材冷床上床輥道上，效果明顯。該項目的實施，大大降低了棒材作業區和棒線作業區非計劃停機時間和輥道電機的維修量，提高了成材率，進一步降低了棒線、棒材產品的成本。

改進后，消除了因接地故障造成的系統掉閘。棒材改進前，每月發生接地故障3 次，每次故障處理時間按60 min 計算，每月可節約3 h，年可降低故障時間36 h。棒線改進前，每月發生接地故障5 次，每次故障處理時間按30 min 計算，每月可節約2.5 h，年可降低故障時間30 h。棒材、棒線小時產量分別按200 t、90 t 計、噸鋼利潤按100 元計，全年可增加產量效益：36 h×200 t/h×100 元/t+30 h×90 t/h×100 元/t=99 萬元。

同時，輥道電機的維修量大幅降低，棒材上床輥道電機維修量從201 臺降低為86 臺，棒線熱送輥道電機維修量53 臺降低為22 臺，2.2 kW 電機維修費按350 元/臺計，5.5 kW 電機維修費按900 元/臺計，維修費用可節約：（201-86）臺×350 元/臺+（53-22）臺×900 元/臺=6.815 萬元。全年總計增加收益：99 萬元+6.815 萬元＝105.815 萬元，效果顯著。