岸边集装箱起重机电气设备失效模式与识别*

吴文祥 岑 果 丁高耀 沈 峥 徐圣永

1宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048 2慈溪市市场监督管理局 慈溪 315300

0 引言

岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是港口集装箱运输的重要基础装备，自1979年我国成功研发首台岸桥[1]，历经40余年的发展，岸桥已广泛应用于国内港口。以宁波港为例，截至2021年底，在用岸桥已达147台，且大部分设备额定起重量在61 t以上，不少设备的服役时间已超过15 a[2]。由于海边高湿、盐雾环境的侵蚀，电气设备故障屡见不鲜，故开展岸桥电气设备失效模式与识别方法的研究非常重要。

目前，岸桥定期检验主要根据安全技术规范规定的检验项目对涉及其安全运行重要指标的当前状况进行符合性验证，尚未对缺陷的根源、后果及潜在缺陷进行系统分析。针对上述问题，本文在岸桥定期检验缺陷分析，使用单位问卷调查的基础上，提出电气设备典型失效模式与识别方法。实施过程中累计调取了宁波地区岸桥定期检验档案432台次，发放并回收有效调查表71份。

1 电气设备组成

岸桥的电气设备主要由供电系统、控制系统、驱动系统等组成[3-5]，如图1所示。其中，供电系统连接码头变电站，为岸桥运行提供电能，其工作负荷通常达到1 000～2 500 kW，少数达到3 000 kW以上，为减少供电电缆的电流值，通常采用高压供电的方式，供电电压主要有3.3 kV、6 kV、10 kV共3种。整个系统主要包括高压电缆、地面供电坑、供电滑环箱、电缆卷盘装置及其控制系统、高压开关柜、驱动变压器等。

图1 岸桥电气设备架构

驱动系统通常采用交流驱动的形式，主要由驱动滤波柜、驱动辅助柜、驱动进线柜、驱动整流柜、变频柜和变频电动机等组成，实现整流→滤波→逆变→驱动等步骤，其中整流部分将交流电变成直流电；滤波部分由电容、电感等元器件组成，用于减少谐波对电网的影响；逆变部分是将直流电变为可控的交流电，实现变频调速。变频电动机包括大车电动机、小车电动机、起升电动机、俯仰电动机等。

控制系统通常采用可编程逻辑控制器（PLC）作为核心，由主控制柜、接触器柜、司机室触摸屏、机房操作站、俯仰操作站、大车操作站、起重机管理系统（CMS）等组成，其中起重机管理系统安装于工控机上。位于主控制柜内PLC的输入信号包括司机室触摸屏指令信号、各操作站指令信号、限位开关信号、超速开关信号等，输出信号为给各变频电动机、接触器等执行机构的控制信号。PLC与各交流变频器之间通过现场总线通讯，与安装有起重机管理系统的工控机之间通过工业以太网通信。起重机管理系统可查看分析岸桥运行状态、各运行机构运行信息等。

2 供电系统故障模式与识别

供电系统的可靠性和安全性直接影响岸边集装箱起重机的使用状况。供电系统的故障主要发生于电缆卷盘装置、拖令机构等部件。表1所示为供电系统主要故障及对应的故障原因。

表1 供电系统主要故障及原因

对于高压电缆，可沿电缆延伸或缠绕的方向检查表面是否有破损或异物。目视检查电缆的直径是否有突然变大或变小的部位，如有则表明电缆发生过拉伸或扭曲。对于接线箱，可检查接线箱内电缆接线柱及铜排有无放电烧蚀的痕迹，电缆终端绝缘层有无放电痕迹及破损。接线柱、铜排及绝缘子上方是否有凝结的盐雾污物。对于电缆卷盘系统，可对手动收放缆功能、电缆过紧限位、电缆过紧限制器弹簧进行功能试验。过紧限位及限制器弹簧应在电缆过紧时使系统停止工作，并使卷盘反向运行将电缆放松。试验时可以手动按压电缆过紧限位开关的触头，此时限位内触点脱开，电动机运行使电缆放松。对于限制器弹簧，可进行按压，检查是否能够在足够大的压力下进行动作。对照历史记录，检查变频器参数、力矩数值设置是否有变化。对接地系统电阻过大或断路可通过接地电阻仪进行测试，根据TSG Q7015—2016《起重机械定期检验规则》要求，对于保护接零系统，起重机械的重复接地或防雷接地的接地电阻不大于10 Ω，对于保护接地系统的接地电阻不大于4 Ω，且起重机械本体的金属结构应与供电线路的保护导线可靠连接。对漏电保护器动作是否正常的检查，可通过按压漏电保护器的测试按钮，检查漏电保护器是否跳闸。

3 驱动系统故障模式与识别

岸桥驱动系统的故障主要发生于变频器、起升电动机、俯仰电动机、大车电动机及小车电动机等，特别是起升电动机和小车电动机工作强度最大，易发生故障。驱动系统的主要故障及原因如表2所示。

表2 驱动系统主要故障及原因

对于变频器故障的识别可根据变频器显示的故障代码，对故障原因进行逐一排除，识别故障根源。对于电动机故障识别的主要方法有振动测试[6]、绝缘测试[7]等。

1）电动机振动测试 振动测试是电动机故障诊断的重要方法之一，电动机的很多故障都以振动的形式表现出来，通过测量振动信号并分析，可以识别电动机工作状态。采用振动传感器、信号调理采集器、工控机等设备，在电动机上布置测点，采集电动机的振动信号。通过对采集的数据进行预处理、统计分析，选取振动的烈度等特征指标来判断电动机的工作状态。

2）电动机绝缘测试 电动机及其外壳因绝缘材料老化等原因导致的绝缘性能降低可采用测试电动机绕组绝缘电阻的方法进行识别。采用欧姆表测试绕组的绝缘电阻，根据电动机的额定工作电压确定选用的兆欧表的规格，如表3所示。

表3 兆欧表选用规格 V

可在电动机停机断能，绕组表面温度与环境温度基本相同的情况下测量绕组的绝缘电阻。为保证测量数据的准确性，兆欧表测量时需要5～10 s的稳定时间。根据GB 14711—2013《中小型旋转电动机通用安全要求》规定，对于额定工作电压在1 100 V以下的电动机，绝缘电阻应不低于5 MΩ。

4 控制系统故障模式与识别

岸桥控制系统的故障主要发生于接触器、热继电器、相序保护继电器等元件。控制系统的主要故障及原因如表4所示。对于接触器的损伤故障可通过检查动静触头、铁芯、线圈、传动部分等进行识别。

表4 控制系统主要故障及原因

1）检查动静触头的接触情况 ①取下灭弧罩，检查动静触头的烧伤情况，轻微烧伤可用细锉锉平后，用细砂布打磨，烧伤严重的应更换新触头；②检查接触面的重合性，接触面积大于8%；③接触器在合闸位置时，检查动静触头的压力情况；④检查动触头系统与传动部分绝缘应完整无裂纹，无老化现象；⑤检查各导电部位连接牢固，螺丝应有弹簧垫圈，各弹簧无脱落变形。

2）检查铁芯情况 ①检查动静铁芯接触面是否紧密；②检查动静铁芯接触面应清洁无锈，衔铁吸动及返回要灵活，不能有卡涩，无异常声音或噪声；③铁芯闭合其接触面积不应小于90%；④检查铁芯的短路环要牢固、不松动，如有裂纹或损坏的要更换，短路环许可温度为110℃。⑤铁芯应固定可靠，静铁芯应有一定的缓冲力，其后面弹簧应完整无变形。

3）检查线圈情况 ①检查线圈上是否有灰尘油污，线圈引出线是否有损伤；②测量线圈绝缘电阻，采用1 000 V兆欧表测量时，不低于1 MΩ；③运行中检查线圈表面温度，不得超过70℃，线圈外观应无变色。

4）检查接触器传动部分情况 ①传动部分无卡涩现象；②传动部件无裂纹，各螺丝牢固。

5）检查灭弧罩情况 检查灭弧罩应完好，无裂纹破损，无受潮。

对PLC控制系统受到干扰，可通过各机构的模拟动作，判断PLC的输入、输出是否正常。失压保护装置是否失效可通过模拟断电的方式进行确认，当起重机供电电源中断后，凡涉及安全或不宜自动开启的用电设备均应处于断电状态，避免恢复供电后用电设备自动运行。对零位保护功能失效，可通过模拟试验进行确认，运行中若因故障或失压停止运行后，重新恢复供电时，机构不等自行动作，应人为将控制器回零位后，机构才能重新动作（采用按钮控制或能够自动复位的控制装置可以不设置）。对电动机定子异常失电保护功能失效，可通过模拟试验进行确认，当调速装置或正反向接触器故障导致电动机失控时，制动器应立即上闸。对超速保护装置失效，可通过模拟试验进行确认，采用可控硅定子调压、涡流制动器、能耗制动、可控硅供电、直流机组供电调速及其他由于调速可能造成超速的起升机构或负载超速会引起危险的起升机构在达到规定速度时应使制动器上闸。

5 结论

本文以岸桥电气设备为研究对象，剖析供电系统、驱动系统和控制系统的主要失效模式和识别方法。对确定危险源、判断损伤模式及分析其潜在的风险具有指导意义，有利于提升岸桥定期检验、日常巡检等工作的针对性和效率。