DCS机柜烧保险丝事件的分析和研究

王松　蔡晓涛　田苗

摘要：大型电厂DCS系统配有数以百台的过程控制柜，这些机柜需要保持长期运行。机柜运行中会出现各种故障，但短时间机柜风扇集中烧供电保险丝属于非正常现象。为了避免发生该现象，本文对事件进行深入分析和研究，通过实验的方法分析了滤网清洁程度对风机电流的影响，并对直流无刷风机启动、运行等各种工况进行了重点研究。经过大量分析找出烧保险丝事件的原因，同时给出了最佳解决办法和预防措施。

关键词：DCS机柜；风机；保险丝

中图分类号：TM7 文献标志码：A 文章编号：1009-3044（2018）11-0271-02

机柜风扇在DCS（分散控制系统）过程控制机柜中起到的作用是十分重要的，虽然它本身并不算关键设备，但如果没有了散热风扇的保护，机柜内重要的电子设备的安全也就没有了保障，轻则导致电子设备工作不正常，重则烧毁设备，甚至还会引起火灾，造成重大损失。

DCS机柜风扇会随机组运行长期保持在工作状态，因此对风扇的选型，供电电路的设计尤为重要。同时也应做好风扇定期检查和保养工作。

1 机柜风机组成及供电原理

DCS系统需要大量的过程控制柜，厂家考虑柜内设备散热一般会在机柜上方安有风扇，风扇将柜内热空气排出来满足柜内设备正常工作温度。风扇型号是SIGEA TM9805，额定电压24VDC，额定功率14.4W，输入电流0.6A。此风扇由外罩、滤网、风机主体组成，其安装示意图如图1所示：

从图中可以看出，24V+通过1/3号保险丝端子为两个风机供电，24V-接2/4号刀闸端子。

2 保险丝熔断原因分析

据统计，某项目机组共有113台机柜，在运行短短三个月时间里发生21个机柜风扇停转，其中3个为风扇故障，18个为风扇配电的保险丝熔断。所烧的保险丝为1/3号端子中的保险丝（见图2）。

保险丝使用的型号是littelfuse 217系列的1A保险丝，其熔断曲线如下图所示：

从设计原理上分析，使用1A保险丝完全满足风扇电机的正常运行。经过对10台机柜风机电流实测，形成记录表格如下：

通过表1可以看出，实测电流已经远远超过风机的额定电流，同时也超过了保险丝的额定电流，所以会造成烧保险丝现象的发生。

对10个风扇进行更换滤网处理，同时对各个工况进行电流测试，取平均值后形成记录表格如下：

通过表2分析，风扇达到最大电流时为出风口滤网过脏的情况，1.23A已经超出了保险丝的正常工作电流。此时查看保险丝熔断曲线表可知，电流在1.23A时保险丝不会很快熔断，但持续一段时间就会造成热累积导致保险丝熔断。符合一般规定要求的保险丝的电流为额定电流的1.3倍时，应在一小时以上熔断；1.6倍时，应在一小时内熔断；两倍时，应在30至40秒后熔斷；8至10倍时，应瞬间熔断。

由此可判断113台机柜中的18台机柜风扇供电保险丝熔断是由于风扇滤网灰尘过多，堵死出风口造成的。

通过对各个工况下风机的实测数据分析，风机即使在全新滤网的状态下运行其输入电流也已经超过了额定电流，滤网已经成为风机的一种负载。随着滤网灰尘累积，对风机来说其负载也在逐渐加大，造成风机的堵转现象。

3 风扇电机分析

风机采用直流无刷电机，其启动特性曲线图如下：

正常情况下电机的起动过程分为三个阶段：

第一阶段，起动静止阶段，电机回路开关闭合，于是电机被瞬间加上电压。由于电机带有负载，在负载的阻转矩和电机转子旋转惯性的作用下，电机并不会立即旋转，其转子还停留在静止状态。这时出现在电机定子绕组中的电流叫做起动冲击电流，也就是曲线图中出现急剧上升的阶段。

第二阶段，转速上升逐渐达到额定转速阶段，电机转子开始旋转，电机电流开始回落。在电机曲线图中可以看到起动电流下降并趋向平稳。

第三阶段，运行阶段。运行阶段电机转子转速已经到达额定值，电机电流也回落到额定值。

电机堵转和启动的现象是一样的，所以有时候也有将启动电流叫作堵转电流。不同的是堵转就意味着电机不能转动，需要保护电路来防止电机烧毁。一般来说起动和堵转电流约等于额定电流的4～6倍。只有运行阶段电机转子转速达到额定值时，电机电流才是额定电流。

电机堵转后定子绕组电流最大会超出6倍的额定电流，使得定子快速发热，烧毁绕组。项目中的3个风扇故障有可能就是长时间电流过大烧毁的。

解决堵转的常规手段：首先要确定正常工作时的电流究竟是多少，这个要实际值，不是理论的，其次最好不要让电机出现堵转的情况。那么如何避免堵转，最简单的办法是在电路中加入保险丝，保险值为1.5-2倍正常电流值。最有效的方式是在负载中串入一个采样电阻，用MCU来采集回路电流，当达到需要保护的电流值后关断电机。但由于负载电流是随时变化的，“加电阻”时电阻的电压降也是变化的，那么负载电压就会不稳定，影响电机的功率输出。由于负载电流是比较大的，电阻上的功率消耗也比较大，会造成电能的损失，还会增加发热量，很不实用。因此防止电机堵转烧毁，最好的办法是在电路中加入保险丝。

4 应对措施和方法

对于滤网灰尘过多导致保险丝熔断事件我们应该采取积极应对措施，首先需要保持机柜房间卫生，关好门窗，尽量减少空气中的浮沉量；其次要制定定期检查滤网制度，如发现滤网灰尘较多需及时清理；最后在《运行维护手册》中需加入定期清理滤网灰尘的要求，有条件的现场最好定期更换滤网。

5 结束语

通过对案例的分析，风机供电电路中的保险丝选型很重要，如盲目的增加保险丝容量有可能造成更多风机的烧毁，选择适当的保险丝才能起到应有的保护作用。而风机滤网的清洁更应变为主要关注因素，维护人员应需采取有效的防护措施。

参考文献：

[1] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机的原理和设计[M].北京： 科学出版社， 2007.

[2] 夏长亮. 无刷直流电机控制系统[M].北京： 科学出版社， 2009.

[3] GB 9816.1-2013：热熔断体.