某型傳動系統應用故障分析及處置措施

應明強

（攀鋼集團西昌鋼釩有限公司板材廠，四川 西昌 615000）

攀鋼集團西昌鋼釩公司板材廠2030mm 酸軋機組于2014年5 月正式投產，主要生產高檔汽車用板、高級家電用板和汽車用高強鋼，年設計產量210 萬噸。全線傳動系統采用技術先進、性能穩定可靠、控制精度高的日立傳動系統，機組酸洗段設計有1 套日立中容量傳動系統、1 套日立小容量傳動系統，軋機段設計有6 套日立大容量傳動系統、1 套日立小容量傳動系統，為酸軋機組的穩定生產、提高產品質量、增加產能提供了有力的保證。本文以攀鋼集團西昌鋼釩公司板材廠2030mm 酸軋機組為例，介紹了某型傳動系統的應用。

1 某型傳動系統

1.1 HIVECTOL 系列傳動系統簡介

板材廠酸軋機組裝機的HIVECTOL 系列傳動系統有三種型號：即HIVECTOL-VIS-H（大容量）傳動系統、HIVECTOLVIS-MS（中容量）傳動系統和HIVECTOL-VIS-S（小容量）傳動系統。酸軋機組軋機1#～5#主電機及卷取機電機的傳動采用的是HIVECTOL-VIS-H（大容量）傳動系統，其中1#主傳動系統的整流單元容量為10.2MVA，2#～5#主傳動系統整流單元的容量為15MVA，卷取機傳動系統整流單元的容量為5.4MVA，交流進線電源電壓都為AC3400V，直流公共母排電壓為DC6000V，IGBT 等大功率元器件采用獨立的純水冷系統與傳動柜風冷混合進行冷卻；機組開卷機電機、活套電機、張力輥電機、夾送輥電機、轉向輥電機、鋼卷小車電機等設備的傳動系統采用的是日立HIVECTOL-VIS-MS（中容量）傳動系統和HIVECTOL-VIS-S（小容量）傳動系統。

1.2 結構組成

（1）某型傳動系統由整流單元、逆變單元、控制單元、DS 隔離開關柜、純水冷卻系統組成（如圖1 所示），整流單元和逆變單元每相IGBT 單元裝機數量是根據傳動系統的容量來決定的，5.4MVA 容量的傳動系統整流單元和逆變單元每相裝機數量為1 個IGBT 單元；10.2MVA 容量的傳動系統整流單元每相裝機數量為兩個IGBT 單元（這兩個IGBT 單元的rank 編號必須相同），逆變單元每相裝機數量為3 個IGBT單元；15MVA 容量的傳動系統整流單元和逆變單元每相裝機數量為3 個IGBT 單元。

圖1 日立HIVECTOL-VIS-H 傳動系統（15MVA）結構圖

圖2 IGBT 單元外觀圖

（2）某型傳動系統的IGBT 單元的型號為IGH1200M8DP，每 個IGBT 單 元 由8 個IGBT 元 件、二 極管、保險、電容、電阻、層壓母線、門極驅動板、加熱槽等元器件組成，IGBT 單元的外觀圖如圖2 所示。整流單元和逆變單元每相使用3 個IGBT 單元，即為3 并2 串結構的IGBT 單元，結構形式如圖3 所示，假如在運行中因15MVA 容量的傳動系統整流單元或逆變單元某相的1 個IGBT單元燒損，那么，此相沒有燒損的另外兩個IGBT 單元也要同時更換，所以在更換新的IGBT 單元時，必須是rank 編號相同的3 個IGBT 單元，因此，在申報備件時，也必須同時申報3 個IGBT 單元（并要注明1 相3 個單元的備件），保證3 個IGBT 單元的rank 編號相同，以確保傳動系統的穩定運行。在傳動系統主回路中設有預充電單元，預充電的作用是為了減小高壓斷路器閉合時大電流對IGBT 單元的沖擊，在SCADA 系統發出合閘指令后，傳動系統預先充電到主回路直流公共母排電壓（DC6000V）的70%時高壓斷路器閉合，以保證傳動系統的安全、穩定的運行，并且在電路中加入平波電容、電阻以消除浪涌。

圖3 R 相IGBT 單元結構圖

1.3 控制原理

某型傳動系統采用PWM（Pulse Width Modulation）進行控制，PWM 脈寬調制是靠改變脈沖寬度控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可以通過改變此脈沖的調制周期來實現，這樣使調壓和調頻兩個作用配合一致，且與中間直流環節無關，因而加快了調節速度，改善了動態性能，某型傳動系統CONVERTER/INVERTER 控制原理（如圖4 所示）。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流源供電，電網側的功率因數較高。通過日立電氣的專有技術來控制調制波的相位，將多套變頻裝置的諧波互相疊加抵消，從而抑制或消除諧波，因此，日立電氣的IGBT 單元不需要單獨加裝諧波濾波器，且IGBT 元件的開關頻率較高，輸出波形非常接近正弦波（圖5）。

圖4 日立HIVECTOL-VIS-H 傳動系統整流單元/逆變單元控制原理圖

圖5 PWM 波形圖

2.4 維護要點及注意事項

（1）某型傳動系統為DC6000V 等級的大容量傳動系統，根據維護保養手冊的要求每年需要對母排進行緊固和清灰工作，每五年對傳動系統的光通量和各控制板的電壓進行檢測并做好記錄。

（2）傳動系統在線使用7 年后，需要對IGBT 單元主回路保險進行檢測，視檢測實際情況進行更換，IGBT 單元主回路保險設計使用壽命為7 年；傳動系統在線使用10 年后，需要對IGBT 單元冷卻水塑料軟管進行檢查，視檢查實際情況進行更換，冷卻水塑料軟管的設計使用壽命為10 ～15 年。

（3）因IGBT 單元燒損更換備件后，需使用M.TOOL 工具對新上機的IGBT 單元做低壓放電測試（使用DC24V 或DC48V 電源）、脈沖檢查試驗，以確保上機使用的IGBT 單元性能正常，避免造成二次設備事故。

2 故障分析及處理措施

2.1 故障分析

（1）在2014 年傳動系統安裝調試期間，軋機HIVECTOL-VIS-H 傳動系統頻繁出現本地網絡故障，造成傳動系統通訊數據丟失，引起傳動系統因通訊故障而停止運行，傳動系統DS（隔離開關）柜的動力線纜的為AC3300V，而傳動柜上的EB 接地與EBX 接地為同一要求的接地即接地電阻＜10Ω（如圖6 所示），于是，日立設計將它們連接在一起引入同一個預埋的接地銅板上，EB 接地為控制元器件及柜體接地，EBX 的接地為動力電纜屏蔽線接地。在機組正常運行的情況下，EBX 的感應電壓最高可以達到上百伏，因此，EBX 的感應電壓容易干擾EB 端子上連接的設備，最終引起傳動系統通訊故障停機以及燒損傳動系統的控制板造成機組停機。主傳動系統設備接地網絡圖，見圖7。

圖6 傳動系統DS 開關柜的接線圖

圖7 原設計的傳動系統接地網絡圖

（2）在2018 年的一次檢修期間，按照周期項目對酸軋機組3#主傳動系統的整流變壓器進行絕緣保護試驗以及對變壓器進行緊固清灰工作，停傳動系統高壓電源，未對室內傳動柜開展任何維護保養工作，也未停傳動系統的控制電源。當整流變壓器絕緣保護試驗和檢修作業完成后，在恢復送電的程中，可能是因為以下原因造成SCADA 系統遠程控制發出高壓柜斷路器合閘指令后，真空斷路器一直執行預充電，正常情況下斷路器收到閉合指令后，傳動系統主回路預充電到直流公共母排電壓（DC6000V）的70%時斷路器閉合，但傳動系統主回路一直預充電到98%并保持，斷路器始終不能閉合同時也分不開（為確保人員安全，未在就地設置高壓斷路器分合閘功能，只能通過SCADA 系統遠程控制），狀態極其危險，一旦處置不當將會引起人生傷害事故和設備燒損事故（圖8）：①高壓柜接線松動、脫落，元器件損壞，高壓斷路器控制線松動、控制芯片燒損或機構卡阻；②傳動系統與高壓柜接口通訊線纜松動、脫落、元器件損壞或控制板燒損。

圖8 合閘異常后整流單元的狀態

2.2 處理措施

（1）經過詳細的討論和研究后，對傳動系統EBX 和EB端子的連接電纜進行優化改進，將傳動柜系統柜內的EBX 和EB 端子的接地電纜分開連接，且在接地系統中新預埋一塊銅板與EBX 端子進行連接（如圖9 所示）。對傳動系統EBX 和EB 端子的連接電纜進行優化改造后，有效地減小了感應電流和感應電壓的干擾，傳動系統運行至今，從未出現因本地網絡故障和控制板燒損故障導致系統報警停止運行，確保了傳動系統的安全、穩定運行。

圖9 現設計的傳動系統接地網絡圖

（2）現場確認傳動系統和高壓柜及SCADA 系統無任何報警信息，查閱故障手冊及相關資料也沒有任何關于此故障的說明和處理方法。通過查閱設備調試期間用于檢查傳動系統和高壓柜接口確認的筆記，使用M.TOOL 工具輸入MW OVPL命令，可以使傳動系統產生故障跳閘。將M.TOOL 工具與3#主傳動系統整流（CONVERTER）控制面板進行連接，輸入MW OVPL 命令將FFFF1ABA 的值由12000 改為0，傳動系統因過載故障高壓跳閘掉電（如圖10 所示）。

①根據圖紙檢查確認傳動系統與高壓柜的通訊接線、元器件的安裝狀態、控制板的信號指示狀態燈以及高壓柜、高壓斷路器、SCADA 系統均無異常，且高壓斷路器手動合閘測試正常，傳動系統放電20 分鐘后，通過SCADA 控制系統再次閉合高壓斷路器仍然閉合不上。根據傳動系統原理圖（3302677-4/TH3CV18）檢查繼電器RY1（主回路投入指令信號）是否在吸合狀態，接觸器3-52S（主回路投入指令信號）和86S（整流單元正常信號）是否在吸合狀態，如未在吸合狀態則需根據圖紙對設備進行一一查找問題，如全部在吸合狀態則高壓柜及其SCADA 系統與傳動系統的通訊正常，經檢查確認以上設備在吸合狀態。

②通過翻閱調試筆記及聯系上海日立技術人員，檢查傳動系統內部參數狀態，以判斷傳動系統控制板、元器件及接線是否正常，在M.TOOL 工具中輸入指令MB VDCHOK（預充電檢查電壓成立信號）查看FFFF1F2A 的狀態是否為1，輸入指令MB PCHOK（預充電準備完成信號）查看FFFF1F31 的狀態是否為1，輸入指令MB MASTR（主回路投入信號）查看FFFF1F32 的狀態是否為1，輸入指令MB VDOK（預充電電壓建立信號）查看FFFF1F29 的狀態是否為1，如果不為1 則要檢查控制板、元器件及接線，如果全部為1 則傳動系統控制板及線路正常。經確認，以上指令狀態全為1（如圖11 所示）。綜上所述確認傳動系統、高壓柜及SCADA 系統狀態正常，更換使用備用斷路器重新合閘后，3#主傳動系統高壓送電成功。

圖10 輸入指令后傳動系整流單元下電

3 結語

攀鋼集團西昌鋼釩公司板材廠2030mm 酸軋機組自2014 年5 月正式投產以來，設備已運行近6 年，期間日立傳動系統運行相對穩定。某型傳動系統在板材廠2030mm 酸軋機組的應用，提高了傳動設備的先進性、可靠性和穩定性，為酸軋機組的穩定生產、提高產品質量、增加產能提供了有力的保證。本文對某型傳動系統結構組成及工作原理進行了重點闡述，并針傳動系統在日常應用中存在的各種問題及故障，進行了詳細的分析、研究，并制定出有效的處理措施，對某型傳動系統設備的日常維護和應用有一定的指導作用。

圖11 輸入指令檢查傳動系統狀態