交交变频双绕组电动机定子绕组故障局部修复实践

高 峰,王 博

(宝山钢铁股份有限公司 1.设备部,上海 201900; 2.宝钢湛江钢铁有限公司,广东 湛江 524072)

1 概述

随着规模产能提升,冶金企业从冶炼到轧钢各个工序大型旋转电动机应用数量越来越多。动力机械设备配置的最大电动机容量已经达到了60 MW;轧钢机械设备配置的电动机容量大多达到或超过10 MW,且电动机速度低,体积大,1台电动机整体重近200 t。这些超大容量电动机结构复杂、工况严苛,核心部件绕组一旦发生故障,修复难度大。修复工期少则几天,多则上月,因此,能够针对大型电动机绕组制定快速、有效的应急修复恢复方案,对减少设备停机时间、保证生产顺行尤为重要。作者对某厂1台大型交交变频双绕组同步电动机定子绕组故障实施了快速局部应急修复,效果良好。

2 电动机及传动系统

2.1 系统组成

某厚板厂精轧机主传动系统主要由整流变压器、传动控制装置和主电动机组成。每台电动机由1台三绕组整流变压器供电,变压器二次侧绕组连接组别分别为Dd0和Dy5,互相错开30°以减少高次谐波。变频器采用西门子SIMOVERT-D交交变频装置,SIMADYN D全数字控制系统。主电动机采用西门子隐极式同步电动机,电动机型号1DQ5651-8DA08-Z,双绕组结构型式。传动系统主要参数如下。

(1)整流变压器额定容量:16 300/2×8 150 kVA;

(2)二次侧额定电压:1 180 V;

(3)二次侧额定电流:2×3 987.6 A;

(4)变频器总额定容量:18 400 kVA;

(5)单相变频器额定输入电流:2 950 A;

(6)变频器输出电压:0～1 700 V;

(7)单相变频器额定输出电流:3 600 A;

(8)变频器输出频率:0～19.2 Hz;

(9)电动机额定容量:9 000 kW,峰值功率22 500 kW;

(10)电动机额定电压:2×857 V;

(11)电动机额定电流:2×1 818 A;

(12)电动机转速:60/120 r/min。

作为路由算法重要的衡量指标，在不同的场景下，分别比较了包的递交率，端到端的平均延时时间以及包的平均跳数.根据以上的3个指标，比较了所提出的路由算法以及GPSR和SLBF路由算法.这3个算法都是基于地理位置的端到端的路由算法.唯一不同的是，SLBF是一种基于广播方式的路由算法，利用定时器来找出下一跳的路由节点.而提出的算法和GPSR路由算法类似，也是通过间隔一段时间去广播hello数据包或者是根据hello数据包来更新自己的邻居表.

三线圈变压器2个二次侧线圈分别给电动机的2套绕组供电,变频器结构上三相完全分开,每相是完全独立的单相变频器。每台单相变频器分别独自控制电动机一相绕组,1台电动机合计6台单相变频器供电。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 电动机绕组结构

大型轧钢电动机因容量大、过载倍数高,在容量上单个变频器往往无法满足供电要求。为此,变频器往往是2个或3个并联。电动机也相应地制造成双绕组或三绕组型式。故障电动机为隐极同步电动机,电动机总重176 t。定子192槽,16极,电动机定子绕组嵌线参数见表1。电动机绕组联接方式可以看作是星点打开的Y/Y双绕组结构型式,如图2所示。绕组三相分开,电气上无连接。2套绕组间无相位差,每套绕组为同极性的8极8支路并联,每个并联支路只有1个极相组,每个极相组由4只线圈串联。其中1套绕组联接全部为N,另外1套绕组联接全部为S,2套绕组共同组成电动机16极。每套绕组三相头、尾汇流环分别布置在定子铁心两侧,每侧6个合计12个汇流环。

表1 定子绕组嵌线数据

图2 定子绕组Y/Y接线图

3 故障修复

3.1 故障情况

精轧机下辊电动机在正常运行过程中,主传动变频器报电动机单相过流故障,系统保护跳电。查看PDA波形,下辊电动机励磁电流及磁通波动较大。最终电动机开罩检查发现定子1套绕组中B1相1个极相组中的2只线圈绝缘碳化,线匝导体熔损,匝间严重短路,故障情况图3。

图3 电动机绕组故障

在电动机修理中,除了绕组引线、过桥等局部损坏更换外,电动机绕组本体短路、接地,通常做法绕组全部需要重绕更换大修。故障电动机2只定子线圈已经严重烧损,且烧损部位在线圈的鼻头和下层边,电动机厂商技术服务及电动机修理单位均表示电动机定子需要更换全部线圈大修,且修复工期至少25天。

3.2 修复方案确定

成型线圈的电动机绕组损坏不是特别严重的情况下,掌握熟练的操作技能,一般可以采取以下两种快速修复做法。

3.2.1 局部更换线棒

对于定子上层边线圈(面线)直线段损坏的,可以采用在线圈两端斜边处“截肢”掉故障线棒,再重新绕制新线棒“嫁接”回去的局部更换线棒修复方案,如图4。这种做法对修复后的电动机性能没有影响,但操作技能要求高,尤其是线圈每匝导线的对接焊及匝间绝缘处理要求精细。本次电动机故障为下层线圈(底线)损坏,由于线圈在铁心槽里是上下层布置,更换下层边线圈,需将一个节距的上层边线圈抬起。这种做法对被抬起上层边线圈破坏性大,工作量也大,一般不采用。

图4 定子线棒局部更换

3.2.2 甩线圈

图5 绕组甩线圈

甩线圈会导致电动机每相串联回路中绕组匝数W减少。根据定子绕组感应电势的公式:E=4.44fWΦKdp1,若感应电动势E不变,W减少,则气隙磁通Φ增加,则电动机的空载电流增大。空载电流增大值可以按照以下公式估算:

(1)

式中:I0、I′0分别为甩线圈前、后的电动机空载电流,A;W0、W′0分别为甩线圈后电动机每相串联匝数或线圈数,N。

一般情况下,串联回路中甩线圈做法会使修复后的电动机空载电流增加。电动机在原额定电流下,出力有所下降;在拖动负载不变情况下,修复后的电动机负荷电流将升高,温升增加。因此,这种应急修复方案一般不适合负载率高、电动机温升接近极限以及多并联支路的电动机。

3.2.3 修复方案选择

这台电动机由6台变频器分别控制电动机Y/Y双绕组的每一相绕组,电路上Y/Y及相间不联通。从电动机一相的绕组接线图6可以看出,若将电动机B1相中1条并联支路中2只故障线圈截除,为保持支路与相间平衡,需对称地将另外7条支路预计其他相中对应的线圈的截除。这样会减少大量线圈,导致电动机参数变化巨大无法正常运行;若按图中所示将B1相故障损坏的1条并联支路极相组4只线圈全部截除,则B1相剩余7条并联支路平衡无环流,剩余并联支路的感应电动势及磁通基本不变,只是甩掉的极相组区域的三相合成磁势减小。且由于电动机其他相绕组电气上无联接,且每相绕组单独供电自成回路,B1相1个极相组缺失的磁势变化对电动机整体旋转磁场影响也很小。因此,这台电动机适合采取将故障极相组线圈全部截除甩掉的应急局部修复方案。

图6 定子一相(B相)绕组接线图

3.3 方案实施

该电动机所有极相组线圈的头、尾过桥引线都并接在端部汇流环上。直接剪断故障极相组线圈并接的过桥引线,就甩掉了短路接地线圈。同时为了避免甩掉故障线圈内部产生环流,需要清除、剪断线圈熔损短路部分。将熔损的线圈导线剪切至匝间绝缘完好的部分,如图7所示。对故障线圈周围主绝缘受损的其他线圈进行绝缘加强处理。清理线圈表面碳化绝缘,绕包涤纶收缩带,刷速干型环氧树脂并用热风烘干来加强绝缘。由于截断甩掉的线圈在电动机运行中仍会感应电压,对线圈剪切截面进行绝缘包扎,封涂环氧胶。

图7 绕组甩线截除

3.4 保护定值优化

考虑B相极相组线圈截除可能导致电动机电流不平衡等问题,对主传动变频器中电动机相关保护定值进行优化修改,避免主传动跳电及损坏。变频器控制参数做如下调整:

(1)增大电流不平衡报警阈值,将电动机电流不平衡报警阈值p5974.0=8%调整至12%,电流不平衡故障阈值p5974.1=12%调整至15%。

(2)减小变频器输出电流限幅,将软件电流限幅p6920=130%调整至120%,硬件电流限幅p6921=140%调整至130%。

4 修复效果检验

4.1 电气试验

对修复后电动机定子绕组进行了绝缘电阻、直流电阻、定子线圈交流耐压(2 100 V、1 min)等电气试验。除故障的B1相直流电阻相对超标外(详见表2),其他指标均满足国家标准和使用要求。

表2 故障绕组修复后直流电阻值

按照计算,B1相绕组由8路并联变为7路并联,则相电阻R1=8.982×8/7=10.27 mΩ。电动机绕组直流电阻值真实反映了减少1条支路的实际情况。

4.2 参数监测

电动机修复后,通过笔录仪对电动机实际运行电压和电流进行监测记录,波形如图8,其中绿色为B1相。波形显示,去掉一个极相组的B1相与其他五相的电压和电流波形幅值、周期等几乎相同。轧制过程中,跟踪查看电动机其他参数,电枢电流不平衡值几乎没变,未触发电流不平衡报警,也未有电流大幅增加等情况;电动机励磁、磁通波形正常,速度反馈跟随性也很好,说明修复后电动机运行参数、性能基本没有影响。

图8 电压和电流记录

4.3 绕组温升检查

为跟踪检查电动机“缺相”可能导致电动机相电流不平衡从而影响绕组温升,同时监视故障点附近线圈温度变化情况,电动机修复完成后,在修复点附近增加了1个PT100测温元件,并将该测温元件信号接入PLC,与电动机原有绕组温度一同对比观测。表3是电动机投入轧钢运行12 h内,每小时对电动机定子温度进行跟踪记录。结果显示电动机三相绕组运行正常,三相温度平衡稳定,在正常范围内。

表3 绕组线圈温度

4.4 振动检查

对修复后投入运行的精轧下辊大电动机进行了振动检查。在轧机咬钢后相对稳定的工况下,测量电动机轴承座振动的实际情况见表4。测点1～4分别是上辊电动机非负荷侧、负荷侧轴承座,下辊电动机非负荷侧、负荷侧轴承座。由表中数据可见,下辊电动机修复前、后对比,并与上辊电动机相比,振动无明显变化并在良好范围内。说明B1相甩掉1个极相组线圈的转矩脉动导致的电磁力振动影响不大。

表4 电动机振动值

5 结论

大型电动机绕组损坏故障可以采取局部或应急修复方案以减少故障停机时间。对于交交变频双绕组相间不联接的多路并联的电动机,定子绕组任何一处线圈故障,都可以采取直接将故障线圈所在极相组全部截除以排出故障点。且由于电动机极数多,并联支路数多,无需也不能按照对称法进行“甩线圈”。文中实践证明,这类电动机去除一极一相的极相组线圈,并不会导致明显可见的电路、磁路不平衡,也未见明显影响电动机运行参数性能变化的问题。