吊斗铲电抗器支架固定方式改进

崔俊强

（国能准能集团有限责任公司 设备维修中心,内蒙古 鄂尔多斯 010300）

准能集团公司2005 年从美国引进了1 台8750-65 型迈步式吊斗铲，吊斗铲组装后质量为5 600 t，大臂长109.7 m、呈31°水平夹角与三角架相连[1]，吊斗铲具有生产效率高，运行成本低等特点。作为世界上先进的采矿设备，吊斗铲很多的系统部件都使用的是行业内最高端的产品或技术。提升和回拉系统采用世界上最高端的无齿轮传动系统，即直接利用无极变速电机驱动滚筒转动；电气控制系统采用了最先进的西门子电气IGBT 技术。IGBT 控制柜放置于在吊斗铲回转平台上。作为核心机构，记录分析吊斗铲所有运行数据，并对各类开关接触器进行微机控制，以实现吊斗铲各种动作的操作。在控制柜的上部设计有钢结构框架，24 组AFE 电抗器平均分布并安装于钢结构上部平台，用来限制设备相位电压、电流控制以及提高电气系统稳定性。所以，AFE 电抗器是吊斗铲电气系统中的关键部件,其运行状况对整个系统的安全运行起着决定性作用[2]。

1 吊斗铲电抗器

1）电抗器。在一些大容量用电系统中，单元发生短路时，电流值可能达到正常运行电流的十几倍，为了克服其带来的负面影响，不得不使用大截面电缆或一些重型的电气设备，从而使企业的资本加大。因此，在一些大型企业或设备中，需额外安装一些特殊的限流电抗器，常常将电抗器串联于电网中以限制电力系统短路故障电流，这样可以有效限制电力系统短路故障电流[3]。限流电抗器在电力系统中一般串联使用，发生短路时，对短路电流起到阻抗作用，减轻故障对正常运行电气设备造成的负担。

2）电抗器在吊斗铲的应用。8750-65 型吊斗铲外网供电电源使用的是22 kV 高压，在外网电力系统或内网发生短路时，设备电气系统的短路电流数值会相当大。吊斗铲在提升、回拉、回转、行走等系统的断路器中串联了电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流，保证设备各类电气系统的稳定。吊斗铲电抗器是由导线绕成螺线管的空心式电抗器，每组电抗器由3 个圆柱体空心线圈组成，每组重达3 t。AFE 能量回馈系统中,AFE 电抗器是至关重要的,因为它不仅影响到电流环节的动、静态响应,同时制约着AFE 的输出功率、功率因数[4]。电抗器安装在出线端，在吊斗铲某一单元发生短路时，所有电压降都集中在电抗器上，可以保护母线上的电压水平，从而保证吊斗铲各种电气设备工作得以稳定运行。

3）电抗器在吊斗铲的固定方式。吊斗铲电抗器外部发生短路时，周围产生强磁场，易吸附一些铁屑或小的掉落零部件损坏电抗器。电抗器还需要不断有带压力的风源，使电抗器周围脏污以及空气中的灰尘无法积聚在电抗器上，避免引起电抗器绕组绝缘击穿和发生电弧，使电抗器绕组损坏及引起相见短路。而且电抗器每根导线表面都用多层绝缘性能良好的聚酯薄膜进行半叠绕包[5]，在运行中会产生大量热量，所以电抗器安装空间内必须有降温措施。综上所述，吊斗铲电抗器安装在5#进气风机的正下方，风机可对电抗器起到降温除尘作用。吊斗铲有用于支撑电抗器的专用的金属支架，该金属支架安装于电气控制柜的上部作为金属支撑件。该金属支架由上下结构不同的2 部分连接而成，这2 部分是指作为上部的平台底座和作为下部的支臂,其中上部的平台底座用于安装电抗器，且为围栏封闭互锁管理，在未关闭相关联系统时，无法打开进门锁进入高压区域，避免高压触电。下部由12 根支柱组成支承体系置于设备回转平台上，与上部平台连接，通风良好。所有结构均采用工字钢，形成整体式框架结构。

2 吊斗铲电抗器支架存在问题及造成的故障

吊斗铲电抗器自重加上平台质量约100 t，全靠12 根3 m 高的立柱支撑并限制4 个自由度，目的是在保证结构强度和刚度的情况下减重，从而使刚度质量比和强度质量比更高[6]，导致支承系统相对薄弱。所有质量集中在支架的上部，在水平方向上没有限制自由度，刚度较小;在吊斗铲运行时，电抗器由于惯性会随设备的各个运动方向不停地晃动，3 m高的工字钢不能完全限制前后左右4 个自由度。吊斗铲IGBT 控制柜位于支架的框架内，支架的晃动会对控制柜造成碰撞，所以在吊斗铲作业时，电抗器支架立柱及平台会产生疲劳变形甚至断裂，线路摩擦损坏，电气元件发生故障。

1）电源块烧毁。吊斗铲PLC 系统主机架电源块安装于电气控制柜内，是由120 VAC 转换为24 VDC 和5 VDC 的供电电源。吊斗铲作业时，电抗器支架晃动撞击电气控制柜使其产生振动，造成部分电源块接线松动、接触不良，使得电源块烧毁损坏，频繁出现电气系统自回故障，甚至吊斗铲无法启机。严重影响设备正常运行及电气系统的使用寿命。

2）信号线磨损接地。ET200 是吊斗铲PLC 系统主站的通信模块，2011 年吊斗铲频繁出现回拉励磁跳闸故障，设备不能正常作业,发现是ET200 其中1 根信号线与电缆槽磨损接地所致。由于电抗器支架晃动，电缆槽边缘与信号线摩擦，造成信号线外皮破损，内芯与电缆槽发生短路现象。不只是信号线，电缆槽里的各种电源线、控制线，甚至高压线都有可能发生类似故障，对系统及设备造成不可挽回的损失，安全隐患极大。

3）IGBT 损坏。8750-65 型吊斗铲几乎所有电机驱动均采用基于IGBT 的交-直-交变频驱动方式。吊斗铲曾出现提升制动器无法打开故障，故障出现时制动器可以手动机械打开，但是电控操作就无法正常打开。手动能打开证明制动器机械方面正常，故障原因是10 组制动器序列未完成，即不能在规定的时间内将所有制动器打开，所以故障无法消除，设备不能作业。查找后发现是吊斗铲提升系统IGBT 爆毁，IGBT 总成件无法修复只能更换新的IGBT，每件IGBT 的采购价在80 万元左右。

4）支架裂纹。吊斗铲电抗器支架是1 个独立的框架式结构，没有设置拉杆与设备其他部位固定，设备作业时支架整体会产生晃动，使原有的钢结构变形，甚至裂纹。改造之前，吊斗铲维修人员必须每天对支架进行细致检查，发现裂纹及时焊接。平均每周都会有6 h 用来焊接修复电抗器支架。但是现场临检焊接条件受限，焊接质量不能满足设备需求，随着焊修次数的增加，焊接部位的材质也发生质变，故障率越来越高。虽然临时在有限空间内与吊斗铲墙壁做了连接固定，但还是未从根本上减少或杜绝支架工字钢裂纹变形故障。

3 电抗器支架固定方式改进

3.1 改造方案

经过桌面推演，从电抗器支架的左、右、后3 个方向加固支架。电抗器支架左面，在回转平台加焊2个大型H 型钢立柱，然后单独与电抗器平台连接，右面及后面利用三角形的稳定性，使用150 mm 槽钢与设备墙壁呈三角形连接。这样，使电抗器支架与设备回转平台及墙壁形成了1 个整体的结构。

吊斗铲电抗器支架立柱采用通用工字钢，翼缘呈逐渐变薄形式。这类型工字钢横截面积小，稳定性差。为了提高强度和稳定性，改造加固材料选用横截面积较大的H 型钢，新型H 型钢支撑,具有较好的社会、工期和经济效益[7]。设计H 型钢横截面积长508 mm、宽508 mm。为了节约成本，采用3 块钢板焊接成H 型钢，两侧受力钢板选用500 mm×75 mm,中间连接板选用350 mm×25 mm。然后采用二氧化碳保护焊，角焊成型。

加固H 型钢立柱焊接于提升电机侧面的回转平台，为了减少立柱对回转平台地板的剪切力，及后期可能产生的地板裂纹，设计将立柱分布于回转隔舱的十字交点处，并在隔舱内利用三角形拉筋板加固，以提高其稳定性。3 t 重的工字钢立柱固定好以后，在电抗器支架上部平台水平方向用200 mm 工字钢与立柱进行横梁连接。为了使横梁更加稳固，在横梁与立柱之间再斜拉焊接1 根工字钢，与上部横梁呈三角形加固。电抗器支架上部平台同一平面，根据与墙壁立柱实际距离，制作若干150 mm 工字钢，呈三角形连接，加固支架右侧及后面。

3.2 焊接工艺及参数

由于吊斗铲所用结构件材料均采用强度较高的钢板，焊接质量对改造工艺至关重要。焊丝、焊接速度、焊接电压、焊接方式等，对焊接强度、焊接韧性、焊接成型、电弧稳定等方面都有着影响。所以，选择焊丝型号为TM-811n2,焊接的方式为二氧化碳气体保护焊，送丝速度范围7 620～10 160 mm/min，焊接电压范围22～28 V，焊接电流范围190～240 A。

工字钢在加工制作时就应考虑加工V 型坡口，焊前清理焊接部位周围的油漆、杂质等，使用角磨机进行打磨。焊时注意温度监测，随时测量尺寸是否偏移，每次焊1 层都要清理熔渣，做好防风措施，如不慎出现气孔或夹渣，要停止施焊，利用气刨将气孔和夹渣清理干净再继续施焊[8]。焊后按照工艺要求检测工字钢垂直情况，焊修后对焊缝进行PT、MT、UT 等无损检测。

3.3 改造效果

8750-65 型吊斗铲电抗器支架按此方案改造完成后，电抗器支架从下到上与设备回转平台形成一体，电抗器平台6 个自由度被完全限制。在加固大型工字钢与墙壁拉筋的作用下，整个支架稳定牢靠。吊斗铲作业时，电抗器及支架会随设备回转平台一起运动，不会单独摇晃，证明改进效果完全满足设计需求。改造完成后，电抗器支架立柱未发生变形，焊接部位无裂纹产生。各类电气元件可以正常工作，实现其功能。此方案彻底杜绝了由电抗器支架稳定性差引起的各类设备故障，提高了设备能动率，也节约了大量维修成本。后期加大点检力度，在日检周检时检查支架完整无裂纹、绝缘无损坏、电缆线卡无松动等，延长设备使用寿命，不断提高吊斗铲产品质量。

4 结语

吊斗铲电抗器支架经过改造运行，再无此结构引发的故障。研究表明用来支撑电抗器的支架结构，在吊斗铲运行惯性作用下受力性能的好坏不仅影响到电气系统的完好、设备的正常运行,而且可能会引发电器火灾等次生灾害,给员工生命及企业财产造成严重损失。根据设备实际运行需求，不断进行创新改造，有利于设备的良好运行及企业的全方位发展。