关于大型同步电机失步停机的故障分析

白凤雷

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200)

大型机组的驱动电动机为隐极式转子高压无刷励磁同步电动机，启动和同步由励磁控制系统(ECS)控制，同步电动机采用无刷励磁技术，因此能够将滑环、碳刷、火花等问题加以克服[1]。同步电动机有超强的抗过载能力，具备恒定的转速，可以根据需要调整功率因数，在转矩方面较少受到电源电压之影响，因此在大型高炉炼铁鼓风机中，采用同步电动机较为普遍，已成为当今世界炼铁装备发展的趋势之一[2][3]。

1 事情经过

2020年8月7日，某公司高炉鼓风机主控室上位机发出主电机停机报警信息。岗位人员立即查看主机电流、逆止阀等状态，确认机组停机后，立刻启动应急预案，快速开启拨风系统的快开阀进行应急处理，避免事故发生，并组织启动备用机组，及时恢复了生产。

2 原因分析

故障发生后相关人员立即到现场进行事故处理及分析，通过对现场励磁柜进行检查，发现励磁柜有如下报警信息显示。

（1）A073/AL电机失步监控启动。

（2）F074/SD电机失步故障。

2.1 造成同步电机失步保护动作主要有三种情况

（1）由于供电电源或与电网的短暂中断而导致的“断电失步”。

（2）由于电机负荷的大幅度突变，导致电机失去动态稳定而导致带励失步[4]。

（3）由于电机励磁系统或励磁电源故障以及某些不正常状态，导致电机失励或严重欠励，失去稳定而滑出同步导致失励失步[5]。

2.2 直接原因分析

结合2.1所述的几种失步情况，组织对此次故障进行系统排查。

2.2.1 供电电源系统排查

对风机主电机供电电源系统进行检查，调取110 kV主变系统故障录波，未发现系统电压电流发生较大波动，故排除第一种情况。

2.2.2 负荷波动情况排查

对风机负荷情况进行检查，调取风量、电流电压运行参数曲线，未发现大的波动，也排除第二种情况。

2.2.3 励磁系统状态排查

调取与励磁系统相关的励磁电流和功率因数曲线，发现电机的励磁电流以及功率因数均发生突变。励磁电流从82.5 A下降至58.9 A，再升高至145 A又降至58.3 A后停机，功率因数变化值为-0.99、-0.98、-0.86、-0.93。

发现此问题后，立即组织专业人员对电机现场励磁机进行检查，经现场确认励磁机定转子均无故障点后，将排查重点放在励磁控制系统。励磁通信系统网络图见图1。

在对励磁控制系统排查过程中发现励磁柜7UM62综保装置与PLC存在通信故障，此通信故障在电机停机后仍然间歇性出现。通信故障报文见图2。

图1 励磁通信系统网络图

图2 通信故障报文

通过对电机恒功率因数调节模式逻辑分析得知，西门子7UM62综保装置内置模拟量输出通信模块，是通过PROFIBUS DP将测量的电压、电流、有功、无功功率等值，传输给励磁柜PLC做励磁电流PID调节，当DP网段中有站点发生闪断时，首先延时一定时间后，如果故障没有恢复会造成数据传输丢失，立即将故障信息发送给停机逻辑联锁程序。通信诊断功能块见图3。

经过在实验室搭建测试平台，再次验证7UM62综保装置通信中断期间，励磁柜PLC无法准确从7UM62综保装置读取电流、有功、无功等数据（见图4）。因此，可以判断7UM62综保装置通信故障是导致电机励磁调节失控，电机失去动态稳定而失步，造成3#高炉鼓风机电机跳机的直接原因。

图3 通信诊断功能块

图4 7UM62与S7-300的通信仿真测试

2.3 管理原因分析

专业人员对进口西门子综保、励磁系统关键性的认知不够深入，仅按照《继电保护和电网安全自动装置检验规程》（DL/T 995-2016）要求，对保护装置的保护逻辑功能、引入端子外的交直流回路、操作回路以及辅助继电器进行周期性检验，校验周期为6年[1]。但没有对综保装置通信功能进行有效的检测。同时存在着对大型传动设备的励磁控制系统、PLC控制系统内部程序解读、逻辑关系、数据传输、关键点的控制等方面驾驭能力不足；励磁变频系统程序、逻辑控制方面技术力量单薄；缺少类似的故障经验总结等问题。

所以针对正常运行时无法开柜检查的关键设备，日常点巡检过程中对隐蔽部位设备设施缺乏有效的检查手段；对内部元件已接近可靠使用寿命周期的认识不足，缺乏产品设计、制造方面的专业知识；未能先期发现在线运行关键设备内部隐患，提前制定积极有效的应对措施及合理的更换周期，都是造成此次故障的管理原因。

3 改进措施

（1）组织维护人员对电机7UM62综保装置进行更换，重新配置参数，在确认励磁系统状态正常后，开机试验运行正常，恢复备用。

（2）依据《继电保护和安全自动装置运行管理规程》（DL/T 587-2016）“3.7微机保护装置的使用年限一般不低于12年,对于运行不稳定、工作环境恶劣的微机保护装置可根据运行情况适当缩短使用年限”的规定，同时结合7UM62综保装置已达11年使用年限的现状，计划在系统检修期间，对同批次的7UM62综保装置进行预防更换，彻底消除安全隐患。

（3）坚持问题导向，解决突出关键问题。开展微机综合保护装置深层次技术交流，从设备的研发、设计理念、制造工艺、控制逻辑角度入手，深入交流设备的内部结构及原理，避免长期运行的设备出现不受控点。同时，针对关键设备运行状态和技术规范，增加在线局部放电等检测手段，预判关键设备的劣化趋势，提前制定并执行相应的改善措施，提升关键设备的稳定性。

4 结语

根据以上的分析结果，再次验证了电子元器件的可靠使用周期一般为10年左右，在采取积极改正措施后，能够消除大型机组运行中可能存在的不稳定因素。在实践中针对关键设备应采取有效的方法对其进行管理维护，确保能够正常运行，为公司的安全稳定可靠运行提供重要保障。