辊道电机接地造成西门子S120 公共直流母线系统故障的研究与对策

刘国华，马 翔，魏 杰，王 军

（首钢长治钢铁有限公司设备处，山西 长治 046031）

0 引言

首钢长钢轧钢厂有4 条生产线，即：棒材生产线、高速线材生产线、棒线复合型生产线（高棒、高线双线）和型钢生产线。其中，轧钢厂棒线加热炉辅助传动系统采用西门子S120 公共直流母线传动系统，即1组SLM（Smart Line Module）回馈整流单元+多个逆变单元组成，多个逆变单元分别控制加热炉区的热送辊道、入炉辊道、悬臂辊道和出炉辊道等设备。在多电机传动系统的设计中，大都采用将多个逆变单元的直流侧正负端子分别连接在一起，形成直流公共母线传动系统。该系统各逆变单元之间可以相互传递能量，从再生发电负载侧回收能量，可减少交流输入线路、交流输入熔断器和接触器等部件，减少机柜数量。但是，逆变单元不易和系统隔离,逆变单元控制的任何一个电机有故障，都会引起整个传动系统掉闸。

1 西门子S120 公共直流母线传动系统概要

西门子S120 公共直流母线传动系统，一般由1个控制单元CU320、1 个电源模块和多个电机模块构成，如图1 所示。电源模块提供电压源直流母线，电机模块通过公共直流母线互连，电机模块共用一个直流母线，模块间可以交换能量。也就是说，如果一个电机模块在产生电能（发电机模式），另一个电机模块可以使用该电能（电动模式）。这种电机模块与电机模块之间的直接能量交换将系统中的损耗功率降至最低，因此，广泛应用于冶金行业的辊道控制系统中。

图1 西门子S120 公共直流母线传动系统图

该传动系统的缺点是电机模块单元不易和系统隔离，电机模块控制的任何一个电机有接地故障，都将对公共直流母线电压造成扰动，电源模块的扰动故障将造成所有电机模块的异常。

轧钢厂棒线作业区加热炉区的辅助传动系统，如图2 所示，采用西门子S120 公共直流母线传动系统，4 个电机模块分别控制加热炉区的热送辊道、入炉辊道、悬臂辊道和出炉辊道设备。由于加热炉区环境温度高，特别是热送辊道通风散热不好、地下水多，经常发生接地故障，每次发生接地故障都会造成故障停车，需尽快找到接地故障电机并进行应急处理，严重影响着加热炉区收料、上料任务的完成。

图2 轧钢厂棒线作业区加热炉区的辅助传动系统

2 故障分析

因电机接地发生故障，S120 变频CU320 功率单元的故障报警代码为F30001、F30021。其中，F30001故障信息为功率单元过电流，可能的原因有：功率单元探测到过电流、闭环控制参数设定错误、电机有短路或者接地、设置的斜坡上升时间过小、电机的额定电流远大于电机模块的电流、输入压暂降时放电电流和补充充电电流很强、当电机过载和直流母线电压暂降时补充充电电流很强、缺少整流电抗器、在接通时有短路电流、功率电缆连接不正确、功率电缆超过允许的最大长度、功率单元损坏和电源相位中断等。F30021 故障信息为功率单元接地，可能的原因有：功率电缆接地、电机接地、变流器损坏、立即制动引起硬件直流监控响应、制动电阻短路以及设置的并联设备上的回路电流控制过慢或者过快等。

接地故障，从现场原因分析，主要为电机和电缆故障两方面。无论是哪方面的故障，都将产生较大的电流，直接影响电机模块的供电电压，从而造成直流母线电压的扰动，导致母线上所有的电机模块异常。

问题的原因找到了，电机接地后的故障电流是无法消除的，如何能将故障电流与电机模块进行隔离是解决该故障的关键。

3 解决思路

考虑使用一种电气隔离设备对故障电流与电机模块进行隔离。经查询资料，隔离变压器是一种很好的电气隔离装置，隔离变压器的原副边绕线圈是通过磁场来交换能量的，可以电机模块和电机端进行有效隔离，完全符合要求。

3.1 隔离变压器的特点

1）抗干扰作用：通过Y/△接线的隔离变压器后，能够阻止部分谐波的传输。

2）阻抗变换作用：增加系统阻抗，使保护装置（断路器）可靠动作。

3）稳定直流母线电压的作用：如启动大负荷设备时，可减少对直流母线电压的影响。

4）防止系统接地的作用：当隔离变压器负荷侧发生单相接地时，不会造成整个系统（隔离变压器以上部分）单相接地。

5）降低短路电流：当负荷侧发生短路时，限制系统的短路电流。

3.2 隔离变压器选型

通过在电机模块与辊道电机之间加装隔离变压器，在不影响辊道电机转速和转矩的前提下，保证在电机或电机电缆发生接地故障时不会造成加热炉区辅助传动系统掉闸。

1）选定的隔离变压器必须满足一次侧和二次侧的电压和电流是相同的，才会不影响辊道电机的转速和转矩。

2）隔离变压器的原副边绕线圈之间是电绝缘的，没有物理联接，通过磁场交换能量，原副边绕线圈之间由绝缘纸或绝缘条作隔离，原副边绕线圈各自的电流独立[1-2]。

因此，选定变压器的变比为1∶1，可满足上述两个条件。

按照热送辊道、入炉辊道、悬臂辊道和出炉辊道等设备的电机实际运行电流（50～60 A）、环境温度及堵转过流（2 倍）等现场实际情况，选用三相风冷干式隔离变压器，型号为FSG-9090kVA（电压为380 V/380 V电流为136.74 A），带绕组温度报警。

在电机模块输出电抗器与辊道电机断路器之间接入选好的隔离变压器，输出电抗器出线端接隔离变压器一次侧，二次侧接入现场对应的辊道配电箱断路器上端，完成改造工作。改造前后逆变单元电路对比如图3、图4 所示。

图3 改造前逆变单元原理图

图4 改造后逆变单元原理图

对辊道电机进行接地试验，没有出现逆变单元故障跳闸情况。由于隔离变压器的阻抗变换作用，接地过电流时只是对应辊道电机的断路器保护可靠动作，没有出现加热炉区辅助传动系统掉闸现象，更不会影响加热炉区其他设备的正常运行。经过一段时间的运行，再无因辊道电机接地故障造成的整个辅助传动系统掉闸的现象，完美解决了之前的故障问题。

4 创新点

4.1 老物新用

隔离变压器属于安全电源，一般用来机器维修、保养用，起保护、防雷和滤波作用。隔离变压器广泛用于地铁、高层建筑、机场、车站、码头、隧道及工矿企业的输配电等场所。

将隔离变压器用来隔离接地故障引起的电流变化属于老物新用，既能有效保护传动系统的稳定运行，又能保证故障发生时对辊道电机断路器的保护可靠动作，避免了系统掉闸故障，也降低了排查接地故障电机所需的时间。

4.2 隔离不隔绝

为了既满足隔离故障的要求，又不影响辊道电机的转速和转矩，选用了变比为1∶1 的隔离变压器，可以准确地将电机模块的输出电压1∶1 复制到电机断路器上，虽然没有了物理连接，但通过磁场转换可以将能量传递出去，做到了隔离不隔绝。

5 应用情况和效益

棒材冷床辊道电机采用的也是该公用母线传动方式，将该技术应用到棒材冷床上床辊道上，效果明显。该项目的实施，大大降低了棒材作业区和棒线作业区非计划停机时间和辊道电机的维修量，提高了成材率，进一步降低了棒线、棒材产品的成本。

改进后，消除了因接地故障造成的系统掉闸。棒材改进前，每月发生接地故障3 次，每次故障处理时间按60 min 计算，每月可节约3 h，年可降低故障时间36 h。棒线改进前，每月发生接地故障5 次，每次故障处理时间按30 min 计算，每月可节约2.5 h，年可降低故障时间30 h。棒材、棒线小时产量分别按200 t、90 t 计、吨钢利润按100 元计，全年可增加产量效益：36 h×200 t/h×100 元/t+30 h×90 t/h×100 元/t=99 万元。

同时，辊道电机的维修量大幅降低，棒材上床辊道电机维修量从201 台降低为86 台，棒线热送辊道电机维修量53 台降低为22 台，2.2 kW 电机维修费按350 元/台计，5.5 kW 电机维修费按900 元/台计，维修费用可节约：（201-86）台×350 元/台+（53-22）台×900 元/台=6.815 万元。全年总计增加收益：99 万元+6.815 万元＝105.815 万元，效果显著。