一起大型同步电动机启动失败故障分析

赵士永，王力伟

（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司2.北京首钢自动化信息技术有限公司河北唐山 063020）

引言

一般在冶金行业中，大型同步电动机主要应用在制氧空压机、氮压机和高炉鼓风机中。启动方式一般采用变频启动和自耦降压启动，启动后可通过功率因数的调节改善电网的功率因数，提高厂区电网质量和运行效率。大型同步电动机启动出现问题会给电网带来影响，甚至危害到公司电网系统的安全稳定运行和公司的生产系统。

1 故障概述

2020年8月份某钢铁厂制氧空分系统例行检修，检修同时对空分系统空压机以及循环氮压机励磁系统西门子7UM62电机综合保护装置进行更换。装置更换完成后，空压机开机一次并网成功，循环氮压机在启机过程中励磁系统西门子7UM62综合保护装置报差动故障以及逆功率故障，电动机跳车并网失败。西门子7UM62综保装置是西门子多功能微机保护装置，主要应用在发电机、电动机和变压器的保护中。目前该公司制氧及鼓风系统的大型同步电动机保护基本上都应用了该装置。

2 原因分析

2.1 直接原因

该循环氮压机所采用的电机为同步电动机，开机启动过程采用变频启动方式。因此在启动过程中需要闭锁差动保护以及逆功率保护功能，防止误动作影响电机正常启动。原因如下：

（1）传统微机差动保护是基于工频运行状态下的电动机进行设计。变频启动时，强制换流过程中变频器输入输出电流相位没有必然联系，而且输出电流频率变化引起铁芯暂态弱磁、饱和而进入非线性区域，导致机侧CT采样误差变大。因此常规相量差动保护不能正确、可靠动作。

（2）制氧空分氮压机电机主回路设计，如图1所示。

变频启动回路：MBI2-MBC2-SDT-SFC-SUTMBM2-SYM。

并网回路：MBI2-MBC2-SYM。

差动保护用互感器分别取自MBL2开关柜的T15以及电机中性点T18,在变频启动过程中MBL2处于断开状态，因此T15不参与差动保护，所以需要在启动过程中闭锁差动保护，防止差动保护误动。

图1 制氧氮压机单线图

（3）电机变频启动过程中，励磁调节方式会由恒励磁电流模式转变为恒磁通模式；同时系统进入正步微调控制前，电枢端电压幅值、频率处于波动阶段，因此导致电机电磁转矩和功角方向摆动。当功角θ为正，电磁转矩为负（电磁转矩方向与转动方向相反），电机处在发电机工作状态，导致逆功率保护误动。电机启动曲线如图2所示。

图2 电机启动曲线图

2.2 深度分析7UM62装置问题

故障发生后电气专业检修维护人员搭建试验平台对故障下线的7UM62综保装置进行性能检测。通过查看综保矩阵点表可知，在电机变频启动过程中，PLC向综保装置发送24 V电压信号，闭锁差动以及逆功率保护功能，如图3、4所示。

因此采用恒压源代替24 V综保闭锁信号加入装置BI6(K9、K10)点，如图5所示。

图3 差动保护闭锁设置图（综保矩阵点表）

图4 逆功率保护闭锁设置图（综保矩阵点表）

图5 综合保护装置二次接线原理图

利用综保测试仪在装置二次侧模拟故障电流，进行装置闭锁功能测试。测试结果：无论是否输入闭锁信号，差动及逆功率保护均可靠动作。为了进一步验证结论，用同型号正常闭锁装置进行对比，监测装置开关量输入状态变化，如图6、7所示。在给定24 V电压信号时，正常装置的BI6开关量输入可靠动作闭合，故障装置没有变化，依然是断开状态。

图6 可正常闭锁的开关量输入状态点

图7 不能闭锁的开关量输入状态点

结论：判断此台7UM62电机综合保护装置闭锁功能失效，所以启机过程中报差动故障以及逆功率故障导致启机失败。

2.3 管理原因

经查此次更换的循环氮压机7UM62综保装置，为2018年采购的备件。此次启动失败后公司要求西门子工厂进行赔付，但经西门子工厂查询此序号综保装置不属于西门子工厂正规渠道货物，判断为翻新机，不予赔付。综保装置在上线前相关专业人员对装置软件、硬件参数进行配置、保护传动，但未对装置闭锁功能有效性进行测试，致使缺陷装置上线使用，暴露出专业、点检人员对于进口关键设备备件重视程度不够，缺乏先期发现问题意识，是造成翻新机上线启动失败的管理原因。

3 改进及防范措施

（1）完善励磁控制系统7UM62使用操作法，在上线前增加保护闭锁功能测试环节。在以后的保护装置更换工作中，除了软件、硬件参数进行设置及相关保护传动等常规项目，还应对装置闭锁功能进行校验测试，确保运用在重要大型同步电动机上的关键备件的稳定性。

（2）在重要和关键设备的备件更换前，对备件特别是代理商提供的备件要严格检查测试，并要求采购部门查明货物来源及渠道，防止翻新产品上线造成影响设备运行安全的情况发生。

（3）对鼓风机、制氧机等关键设备的综合保护装置，按《继电保护及电网安全自动检验装置》（DL/T995-2018）规定，使用年限达到12年全部进行更换。

4 结束语

目前钢铁企业的大型鼓风机、制氧机组、烧结机等机组的大型同步电机保护装置大都采用西门子7UM62综保装置，虽然装置比较成熟先进，但专业维护人员在精心维护保养的同时要对该装置进行深入细致的学习和研究，出现问题能迅速准确查明原因，保证大型同步电动机的稳定运行。