港口机电设备典型电气故障解析

港口机电设备典型电气故障解析

戚新军

上海振华重工（集团）股份有限公司上海市200125

摘要：随着世界经济一体化进程的加速，推动了各国进出口贸易的快速发展，同时也对港机设备的运行效率和稳定性提出了更高的要求。为了最大程度的提高港机设备的装卸能力，这就需要我们对港机设备的典型电气故障有所了解，并做出归纳和总结，从而提升维修人员对电气故障的处理能力，使港机设备能更好的服务于港口生产的需要。本文对港机设备常见的电气故障进行了简单的介绍，并着重分析了变频器故障，通讯干扰故障和高压电缆终端故障这些典型的电气故障。

关键词：港机设备；电气故障；解析

1港口机电设备典型电气故障概述

在港口设备的生产运行过程中，通常会碰到一系列的故障，比如机械结构件的疲劳损伤、液压系统的压力故障、变压器的噪音干扰、限位及元器件的损坏等等。这其中的有些故障，并不立刻影响设备的运行，但还有一些比较严重的故障，会导致设备较长时间的停机。其中比较典型的就是变频器故障，设备通讯故障，以及高压终端故障等。在这里，我们就来浅谈一下此类典型故障的形成原因和防范措施。

2变频器故障的解析

变频器在港机设备中有着广泛的使用，而变频器的故障率也是比较高的，常见的故障有：过电流跳闸、过电压跳闸、欠压跳闸、过热故障、输出不平衡故障、过载故障、开关电源损坏、SC故障等等，而引起变频器损坏的根本原因，除了变频器的产品性能因素以外，还和变频器的安装调试过程中的防尘防潮、以及码头的实际作业环境等密切有关。

2.1施工环境对变频器寿命的影响

曾经在国外某港口的大型岸桥起重机项目上，发生了门架小车变频器大量集中损坏的情况，而经过我们对施工过程中的质检报告调查发现，该项目变频器所在的控制柜在施工过程中曾多次发现铁屑、铆钉等杂物，虽然当时都得到了的清理，但还是对设备的稳定性和安全运行产生了严重的威胁，因为在后续对变频器的维修过程中，我们还是发现事故变频器内部有灰尘和金属垃圾。

2.2港口环境因素对变频器寿命的影响

通过数据汇总，我们发现同样品牌和性能的变频器，在某些港口，驱动器故障发生的尤为频繁，在排除了变频器本身的质量因素以及维修人员的维护保养因素之外，我们通过对大量故障变频器的调查、测试后发现：在集中损坏的变频器内部，IGBT元件有一个共同的化学“足印”，即从取自损坏模块的样本分析结果表明，钠、氯化钠和硫酸的含量与标准模块相比，有了显著的增加，并且从相关港口带来的所有的IGBT元件都呈现相同的污染。

后来通过实验室数据进一步分析，IGBT供应商在IGBT电池部件中发现了氧化铝及氢氧化铝。按道理讲，这些物质不应该存在于IGBT单元中。纵观那批次变频器所在的码头的气候环境，常年空气湿度都比较大，盐雾也相当严重，这也从事实上证明了我们在理论上的推断，当湿度很高的时候，如果直流电压施加到元件上，就会发生类似IGBT爆炸，驱动器板子烧坏的情况。

所以，我们的研究结果是：暴露在非正常条件下的驱动器，水分和污垢影响了零件的寿命。因此，除了根据设备的使用特性合理的选择变频器品牌之外，同时也不能忽略变频器的安装环境，特别在防尘，散热，防盐雾等方面，应该做好足够的防范和维护。

3通讯干扰故障的解析

通讯干扰故障在港口起重机运行过程中发生率较高，对装卸效率带来很大程度的影响。形成干扰的原因多种多样，有来源于电源品质的影响，比如奇次谐波，有来源于驱动器在整流逆变过程中造成的电磁干扰，有强电流设备启动时造成的浪涌干扰等等。所以一旦发生通讯干扰，往往很难在短时间内排查出来。

3.1简单介绍主要的几种通讯协议

对于港机设备来说，无论何种电控系统，在驱动器、PLC和远程模块间所用到的通讯方式，主要有Profibus、Profinet、Can-bus，RS485还有象Modbus、Asi等通讯协议。当然，各种通讯协议之间是可以通过协议网关互相转换的。下面，简单介绍下在我们起重机中应用最广泛的几种通讯方式：

Profibus是基于RS485的串行总线，通常使用铜或是光纤作为其通讯介质，总线上的主要故障来源于总线终端电阻不匹配或较差的接地。

Profinet是基于工业以太网的总线方式，是在Profibus基础上做出的升级，使用IP地址点对点的发送信息，具有更好的抗干扰能力。

Can-bus采用的是多主竞争式总线结构，不需要设置地址，主要通过逻辑电平和物理信号之间的相互转换来实现信号的传输，这在BROMMA吊具的两线制通讯中运用比较多。

在港机设备的运行过程中，由于许多外部的因素会造成通讯的不稳定，从而影响数据的可靠传输，最终导致设备的通讯丢失乃至设备停机事故。在我们港口设备中，通讯干扰主要来源于强电流、高次谐波、接地系统等造成传导干扰，还有象船坞雷达、广播等无线电设备造成的辐射干扰，也一直威胁着港机设备的通讯稳定性。我们只有对各种通讯方式的原理和特点有了充分的了解，并对造成通讯干扰的因素有了针对性的防范，才能提高港机设备的通讯的抗干扰能力，进而实现设备运行的稳定性。

3.2提高港机设备通讯抗干扰能力的预防措施

3.2.1通讯电缆的敷设分隔要求

在电缆敷设中，信号线和动力电缆必须有效的隔离，最好选用穿管（金属线管）敷设，而且金属线管两端必须可靠的接地。管路中间必须接地连通，实在无法连通时，则在分断点两端都接地，而且，管路的接地线应该尽可能的短。

3.2.2通讯的防干扰措施Profibus/Profinet

对于Profibus/Profinet通讯方式，建议选用标准的相对应的Profibus/Profinet电缆，屏蔽层应选用多点接地方式。在DP头子的制作中，屏蔽层剥的不能太长，否则暴露在空气中，好比是接收干扰的天线。

3.2.3通讯的防干扰措施CAN－bus

CAN采用对绞屏蔽线，屏蔽层单端接地，在电缆固定时，最好采用防电磁干扰的带屏蔽接地的填料函。因为选用双绞线的话，可以抑制磁场感应的差模电压，同时也可以屏蔽外部干扰源对通讯的影响。

在这里，需要特别指出的是，在岸桥起重机上的吊具通讯干扰的防范措施：

①除了上面提到的措施之外，在吊具垂缆和上下架连接电缆芯线分布上，动力线/控制线/通讯线应按不同电压等级排列，原则是，电压越高，离开通讯线越远。而且在垂缆中，所有的备用线都应该两端接地。

②在吊具柜油泵电源的出线处，应增加三相电源滤波器，滤波器的进出线都要分线槽走。在吊具电源的控制电源处需增加单相滤波器或滤波电容，单相滤波器的进出线也要分线槽走。

③有时候，为了抑制干扰，我们也可以通过加装信号增压器的办法来实现，比如，在通讯线的两端增加BOOSTER来加强信号的发射。这在一定程度上也能抑制干扰对通讯的影响。

3.2.3解决辐射干扰的有效方法

针对由空间辐射电磁场造成的辐射干扰，类似于无线电广播、雷达等电器设备，通常是对起重机PLC的干扰，我们可以通过对PLC，通讯模块，变频器等增加外壳屏蔽罩来加以改善，但要注意元器件的散热通风。

4高压终端故障的解析

在港机设备运行过程中，高压电缆终端故障也时有发生，该类故障隐蔽性强，不容易在日常的维护保养中被监测到。

4.1.1一起高压电缆终端事故的解析

在国外某大型码头，曾发生岸桥高压电缆终端突爆燃，并引起了变压器高压侧火灾事故。一般来说，按照制造商规范制作的高压终端，其正常寿命为40年，而发生故障的设备在此之前只是运行了十年。也就是说，这些高压终端，通常是可以做到免维护的。因此，我们请专业厂家和业界权威彻底调查了该起高压终端事故的原因。

我们通过对事故变压器和HS分配器以及爆炸高压电缆的检查分析发现，事故是高压电缆终端制作过程中的半导体层做工差造成的。根据制造商的施工规范和技术安装要求，芯线上的半导体层应该用专用工具，光滑的，直接的剥离。因为任何的不平整和气隙，都将导致放电现象的产生，进而击穿绝缘的后果。而事故高压终端在剥离半导体层的时候，划伤了绝缘层，而且并未使用专用的器械，导致半导体层剥离的不光滑，内部有间隙存在，这就破坏了芯线周围电磁场的平衡，由于电子的运行撞击产生火花，导致了局部放电现象。由于局部放电产生的电火花长期烧蚀着电缆终端的绝缘表面，最终导致绝缘被彻底击穿爆燃事故。

4.1.2高压电缆终端的正确维护测试方法

那么如何有效预防高压电缆终端放电由此而引发的安全事故呢？在这里，我们就简单介绍一些高压电缆测试的规范要求以及使用过程中的高压电缆终端的维护检查方法。

根据国标或是IEC规范，高压电缆的测试主要分为出厂测试和型式试验。

对于出厂测试来说，是指制造商对每条制造的电缆长度进行例行测试，以检查每个长度是否符合规定的要求，其中明确提到要做放电测试，耐压测试以及电缆护套的绝缘测试。当制造商进行生产工艺改进，或是电缆制作原材料的变化等，都会对产品取样做类似的测试。

型式试验一般只作为新产品投入市场前的认证要求，其中包含弯曲测试、放电测试、加热循环测试、脉冲电压试验、耐压测试和半导体电阻率测试等，这部分测试比较全面，也相当复杂，但应该来说，都属于生产厂家的工作范畴，和最终用户没有必然的联系。

在高压电缆安装完成之后，依据规范，需要对相关高压设备做绝缘测试和耐压测试，这一般都是在生产基地完成的。并由施工方提供给最终用户相关的测试报告。

当设备抵达用户现场，正式投入生产运行之后，要定期检查高压电缆是否有起皱、扭曲或是绝缘层皲裂的情况。除了从外观上检查，还推荐以下的两种在线和离线的放电测试方法，以便提早检查出高压终端隐藏的安全隐患。

在线超高频（UHF)测试法：超高频测量必须是在线执行的，即是在通电的情况下。然而它的局限性就是放电必须存在于表面，当产生的信号(放电)通过空中传送的时候，即刻就能被探测到。但是在变压器上进行这种超高频测量的具体情况下，它可能具有潜在的危险性，高压分配器的UHF测试则是相对安全的(信号可以通过电缆室的金属外壳被探测到)。

离线电子局部放电测量（PD):运用PD法测量，应确保测量时所有供电必须断开，此方法能测出实际放电量数值，并可以准确地确定放电的位置和高度。

通过定期对高压电缆终端的重复测量，将能注意到电缆终端的放电变化或恶化情况，从而提前指定维修或是更换的计划，并避免爆燃事故的发生。我们一般建议局部放电测试每2或3年一次，以便在早期发现问题。

以上就是我们总结的在港口设备运行过程中，出现的比较频繁，对生产影响也比较大的典型电气故障，而且都有着直接的案例可循。我相信，通过合理的防范，我们是可以把相关的故障率控制在比较低的水平，从而提升港机设备的实际运行效率。

参考文献：

[1]贺知恒.一次PROFIBUS-DP网络干扰故障的处理.维普网,2015(10).

[2]贠福胜.10KV开关电缆头电晕放电现象危害及处理研究,中国科技期刊技术库工业C2015年56期.