1、引言

輥道傳動最初采用單臺電機通過機械齒輪箱成組驅動多個輥子；后來發展為單臺電機不經過齒輪箱直接驅動單輥的傳動方式,輥道傳動由一套調速裝置集中給多臺電機供電，每臺電機直接驅動單輥。如某熱軋廠精軋輥道采用西門子MASTERDRIVE 6SE70變頻器供電，采用VF控制或無速度編碼器的矢量控制。

2、輥道傳動的特點

（1）由于同一組輥道的速度一致，電機的速度也一致，可以進行集中控制，但集中控制精度不高。

（2）由于每臺電機的性能不可能完全一致，每個工作棍磨損程度不同，以及傳送軋件不規則，都會導致部分電機的負荷比較大，部分電機的負荷比較小。由于調速裝置不能很精確地對每臺電機進行控制，當負荷增大時，只能籠統地使總輸出電壓與電流提高，導致負荷輕的電機端電壓可能超過額定值，造成電機的絕緣劣化，特別會造成交流電機磁路飽和，電機電流增加，發熱增加。所以對每臺電機必須配置過載保護。

（3）當開關箱至每臺電機的電纜長度不一致或電纜細時，由于線路壓降也會造成電機的端電壓不一致，從而造成部分電機的端電壓減少，輸出力矩下降，甚至堵轉，電機電流特別大。所以，對成組傳動裝置，要求電機的參數盡量一致，而且配置的電纜也要盡可能短。

（4）在傳送軋件時，軋件可能受堵，導致電機堵轉，為了避免輥子堵轉，要求電機與軋件之間打滑，即必須使電機的最大轉矩大于打滑轉矩。所以在系統設計時，傳動裝置及電機都要有一定的過載能力。

（5）輥道電機一般離調速裝置的距離比較遠，電纜很長，而現場環境比較惡劣，高溫、潮濕、腐蝕性氣體，導致電纜及電機的絕緣下降。另外，變頻器輸出電壓是PWM波形，當電纜兩端阻抗不匹配時，會產生行波反射，在電機端電壓峰值可達到變頻器主回路直流電壓的兩倍，也會造成電機及電纜絕緣劣化。

（6）當一套調速裝置帶數臺輥道電機時，為了保證調速裝置與電機的安全，在設計時必須進行容量匹配計算與各級保護之間的匹配，避免誤動與拒動。

3、故障現象

某熱軋廠精軋GF17輥道共有19臺11kW的電機，每臺電機額定電流為18.5A，總額定電流為351.5A，變頻裝置的額定電流為560A，采用無速度編碼器的矢量控制，過載能力為136% 1min。在變頻裝置輸出到每個電機之間各配置一只額定電流為100A開關，過載整定在28A，過流瞬動電流為1000A，短路分斷能力為40kA。所有開關集中安裝在一個開關箱內，開關箱安裝在地下電纜溝內。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統主回路單線圖
2006年8月24日，GF17輥道中的G124電動機開關跳電，現場人員至電纜溝開關箱送上G124開關，返回操作室后發現監控系統又報G124電動機開關跳電，當現場人員再次來到電纜溝時發現該開關已燒損，觸頭粘連，箱內臨近的開關也有不同程度的燒損，G124電機電纜也燒壞，對G124電機進行檢查時，發現該電機接線柱由于銹蝕與松動，導致三相短路。故障處理與恢復時間大約為8h。輥道開關箱損壞如圖2所示。

圖2 GF17輥道開關箱損壞情況
4、原因分析

4.1 無速度編碼器的矢量控制變頻器應用在輥道傳動時必須注意的事項

變頻器采用無速度編碼器的矢量控制，這種方式的優點是可以省去測速裝置，控制精度比VF控制高，但這種方式應用在輥道傳動時必須注意以下三點。

（1）最低運行頻率不能低于1.8Hz，這種控制方式在低速時控制不穩定。
（2）由于電機參數對采用無速度編碼器的矢量控制影響比較大，所以所帶電機的參數要盡量保持一致，特別要關注電纜阻抗，電機電阻等參數的自適應。
（3）一般不可以在變頻器運行過程中帶電合開關；必須等變頻器停下來或變頻器輸出頻率低于10%以下，才可以帶電合開關。

4.2 計算電機側短路時的電流大小

從電氣室到現場端子箱的長度大約為15m，這是一根150mm2的電纜，這根電纜的阻抗可以忽略不計。現場端子箱到損壞電機的電纜（6mm2）長度大約為150m。首先計算現場端子箱到損壞電機的電纜電阻。

根據公式：R=ρ×ls

式中：銅的電阻率ρ在20℃時為0.0175Ωmm2m;
l—導線長度m;
s—導線截面積mm2。

每根導線電阻R=0.0175×1506=0.4375Ω，三相短路時,對變頻器來說，輸出線路總電阻=0.4375Ω+0.4375Ω=0.875Ω。由于西門子MASTERDRIVE 6SE70為交—直—交電壓型變頻器，電機額定電壓為500V，變頻器中間直流回路電壓為DC 650V，忽略IGBT的導通壓降，當電機側發生短路時，短路電流=650V0.875Ω=742A。

4.3 故障原因分析

（1）從現場調查來看，該設備已運行十多年，現場環境惡劣，開關箱安裝在電纜溝內，環境溫度高，造成開關性能下降。

（2）變頻器輸出是PWM脈沖波形，當電纜兩端阻抗不匹配時，會產生行波反射，在電機端子側電壓峰值可能達到變頻器主回路直流電壓的兩倍，也會造成電機及電纜絕緣劣化。

（3）由于該開關的過載整定在28A，電機的額定電流為18.5A，大約為電機額定電流的150%，遠超過電機的額定電流。當電機電纜由于銹蝕與松動，絕緣劣化，回路電流逐步增大，由于過載保護整定值偏大，延緩了開關保護跳閘時間，不能及時保護電纜與電機，導致電纜繼續發熱，直至絕緣擊穿。

（4）變頻器額定容量為500kVA，則變頻器額定電流為：=5001.7320.5=566A，變頻器過載能力為136% 1min,過電流整定在1100A左右。當G124電機發生短路時,最大短路電流為742A,沒有達到變頻器的過電流動作值,變頻器不會有任何報警,變頻器繼續正常工作。

（5）G124電機的開關瞬動整定在1000A，則當電機短路時，短路電流也沒有達到它的瞬動動作值，所以，該開關也不會立即跳閘。

（6）在第一次發生開關跳閘后，運行人員沒有對電纜與電機進行檢查,而是復位后立即合開關。此時電機側已發生短路,開關內因流過大電流而發熱；而地下電纜溝內環境溫度高，開關箱內溫度也很高，造成開關耐受能力和分斷能力不斷下降,當開關無法耐受逐漸增大的故障電流時，開關內部拉弧短路,波及臨近開關,引起開關箱燒損,這是本次故障發生的間接原因。

4.4 對策

（1）由于變頻器過電流整定值是固定的，無法進行調整；但可以利用MASTERDRIVE 6SE70變頻器提供的自由功能塊,編制另一個過電流保護程序,該過電流整定在變頻器額定電流150%。一旦負載電流超過變頻器額定電流的150%時,并且持續超過30s后,向上位機傳送過流報警信息,提醒操作人員注意;如負載電流繼續超過變頻器額定電流的150%,再延時30s變頻器停機。