崔俊強

（國能準能集團有限責任公司 設備維修中心,內蒙古 鄂爾多斯 010300）

準能集團公司2005 年從美國引進了1 臺8750-65 型邁步式吊斗鏟，吊斗鏟組裝后質量為5 600 t，大臂長109.7 m、呈31°水平夾角與三角架相連[1]，吊斗鏟具有生產效率高，運行成本低等特點。作為世界上先進的采礦設備，吊斗鏟很多的系統(tǒng)部件都使用的是行業(yè)內最高端的產品或技術。提升和回拉系統(tǒng)采用世界上最高端的無齒輪傳動系統(tǒng)，即直接利用無極變速電機驅動滾筒轉動；電氣控制系統(tǒng)采用了最先進的西門子電氣IGBT 技術。IGBT 控制柜放置于在吊斗鏟回轉平臺上。作為核心機構，記錄分析吊斗鏟所有運行數(shù)據(jù)，并對各類開關接觸器進行微機控制，以實現(xiàn)吊斗鏟各種動作的操作。在控制柜的上部設計有鋼結構框架，24 組AFE 電抗器平均分布并安裝于鋼結構上部平臺，用來限制設備相位電壓、電流控制以及提高電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。所以，AFE 電抗器是吊斗鏟電氣系統(tǒng)中的關鍵部件,其運行狀況對整個系統(tǒng)的安全運行起著決定性作用[2]。

1 吊斗鏟電抗器

1）電抗器。在一些大容量用電系統(tǒng)中，單元發(fā)生短路時，電流值可能達到正常運行電流的十幾倍，為了克服其帶來的負面影響，不得不使用大截面電纜或一些重型的電氣設備，從而使企業(yè)的資本加大。因此，在一些大型企業(yè)或設備中，需額外安裝一些特殊的限流電抗器，常常將電抗器串聯(lián)于電網中以限制電力系統(tǒng)短路故障電流，這樣可以有效限制電力系統(tǒng)短路故障電流[3]。限流電抗器在電力系統(tǒng)中一般串聯(lián)使用，發(fā)生短路時，對短路電流起到阻抗作用，減輕故障對正常運行電氣設備造成的負擔。

2）電抗器在吊斗鏟的應用。8750-65 型吊斗鏟外網供電電源使用的是22 kV 高壓，在外網電力系統(tǒng)或內網發(fā)生短路時，設備電氣系統(tǒng)的短路電流數(shù)值會相當大。吊斗鏟在提升、回拉、回轉、行走等系統(tǒng)的斷路器中串聯(lián)了電抗器，增大短路阻抗，限制短路電流，保證設備各類電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定。吊斗鏟電抗器是由導線繞成螺線管的空心式電抗器，每組電抗器由3 個圓柱體空心線圈組成，每組重達3 t。AFE 能量回饋系統(tǒng)中,AFE 電抗器是至關重要的,因為它不僅影響到電流環(huán)節(jié)的動、靜態(tài)響應,同時制約著AFE 的輸出功率、功率因數(shù)[4]。電抗器安裝在出線端，在吊斗鏟某一單元發(fā)生短路時，所有電壓降都集中在電抗器上，可以保護母線上的電壓水平，從而保證吊斗鏟各種電氣設備工作得以穩(wěn)定運行。

3）電抗器在吊斗鏟的固定方式。吊斗鏟電抗器外部發(fā)生短路時，周圍產生強磁場，易吸附一些鐵屑或小的掉落零部件損壞電抗器。電抗器還需要不斷有帶壓力的風源，使電抗器周圍臟污以及空氣中的灰塵無法積聚在電抗器上，避免引起電抗器繞組絕緣擊穿和發(fā)生電弧，使電抗器繞組損壞及引起相見短路。而且電抗器每根導線表面都用多層絕緣性能良好的聚酯薄膜進行半疊繞包[5]，在運行中會產生大量熱量，所以電抗器安裝空間內必須有降溫措施。綜上所述，吊斗鏟電抗器安裝在5#進氣風機的正下方，風機可對電抗器起到降溫除塵作用。吊斗鏟有用于支撐電抗器的專用的金屬支架，該金屬支架安裝于電氣控制柜的上部作為金屬支撐件。該金屬支架由上下結構不同的2 部分連接而成，這2 部分是指作為上部的平臺底座和作為下部的支臂,其中上部的平臺底座用于安裝電抗器，且為圍欄封閉互鎖管理，在未關閉相關聯(lián)系統(tǒng)時，無法打開進門鎖進入高壓區(qū)域，避免高壓觸電。下部由12 根支柱組成支承體系置于設備回轉平臺上，與上部平臺連接，通風良好。所有結構均采用工字鋼，形成整體式框架結構。

2 吊斗鏟電抗器支架存在問題及造成的故障

吊斗鏟電抗器自重加上平臺質量約100 t，全靠12 根3 m 高的立柱支撐并限制4 個自由度，目的是在保證結構強度和剛度的情況下減重，從而使剛度質量比和強度質量比更高[6]，導致支承系統(tǒng)相對薄弱。所有質量集中在支架的上部，在水平方向上沒有限制自由度，剛度較小;在吊斗鏟運行時，電抗器由于慣性會隨設備的各個運動方向不停地晃動，3 m高的工字鋼不能完全限制前后左右4 個自由度。吊斗鏟IGBT 控制柜位于支架的框架內，支架的晃動會對控制柜造成碰撞，所以在吊斗鏟作業(yè)時，電抗器支架立柱及平臺會產生疲勞變形甚至斷裂，線路摩擦損壞，電氣元件發(fā)生故障。

1）電源塊燒毀。吊斗鏟PLC 系統(tǒng)主機架電源塊安裝于電氣控制柜內，是由120 VAC 轉換為24 VDC 和5 VDC 的供電電源。吊斗鏟作業(yè)時，電抗器支架晃動撞擊電氣控制柜使其產生振動，造成部分電源塊接線松動、接觸不良，使得電源塊燒毀損壞，頻繁出現(xiàn)電氣系統(tǒng)自回故障，甚至吊斗鏟無法啟機。嚴重影響設備正常運行及電氣系統(tǒng)的使用壽命。

2）信號線磨損接地。ET200 是吊斗鏟PLC 系統(tǒng)主站的通信模塊，2011 年吊斗鏟頻繁出現(xiàn)回拉勵磁跳閘故障，設備不能正常作業(yè),發(fā)現(xiàn)是ET200 其中1 根信號線與電纜槽磨損接地所致。由于電抗器支架晃動，電纜槽邊緣與信號線摩擦，造成信號線外皮破損，內芯與電纜槽發(fā)生短路現(xiàn)象。不只是信號線，電纜槽里的各種電源線、控制線，甚至高壓線都有可能發(fā)生類似故障，對系統(tǒng)及設備造成不可挽回的損失，安全隱患極大。

3）IGBT 損壞。8750-65 型吊斗鏟幾乎所有電機驅動均采用基于IGBT 的交-直-交變頻驅動方式。吊斗鏟曾出現(xiàn)提升制動器無法打開故障，故障出現(xiàn)時制動器可以手動機械打開，但是電控操作就無法正常打開。手動能打開證明制動器機械方面正常，故障原因是10 組制動器序列未完成，即不能在規(guī)定的時間內將所有制動器打開，所以故障無法消除，設備不能作業(yè)。查找后發(fā)現(xiàn)是吊斗鏟提升系統(tǒng)IGBT 爆毀，IGBT 總成件無法修復只能更換新的IGBT，每件IGBT 的采購價在80 萬元左右。

4）支架裂紋。吊斗鏟電抗器支架是1 個獨立的框架式結構，沒有設置拉桿與設備其他部位固定，設備作業(yè)時支架整體會產生晃動，使原有的鋼結構變形，甚至裂紋。改造之前，吊斗鏟維修人員必須每天對支架進行細致檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋及時焊接。平均每周都會有6 h 用來焊接修復電抗器支架。但是現(xiàn)場臨檢焊接條件受限，焊接質量不能滿足設備需求，隨著焊修次數(shù)的增加，焊接部位的材質也發(fā)生質變，故障率越來越高。雖然臨時在有限空間內與吊斗鏟墻壁做了連接固定，但還是未從根本上減少或杜絕支架工字鋼裂紋變形故障。

3 電抗器支架固定方式改進

3.1 改造方案

經過桌面推演，從電抗器支架的左、右、后3 個方向加固支架。電抗器支架左面，在回轉平臺加焊2個大型H 型鋼立柱，然后單獨與電抗器平臺連接，右面及后面利用三角形的穩(wěn)定性，使用150 mm 槽鋼與設備墻壁呈三角形連接。這樣，使電抗器支架與設備回轉平臺及墻壁形成了1 個整體的結構。

吊斗鏟電抗器支架立柱采用通用工字鋼，翼緣呈逐漸變薄形式。這類型工字鋼橫截面積小，穩(wěn)定性差。為了提高強度和穩(wěn)定性，改造加固材料選用橫截面積較大的H 型鋼，新型H 型鋼支撐,具有較好的社會、工期和經濟效益[7]。設計H 型鋼橫截面積長508 mm、寬508 mm。為了節(jié)約成本，采用3 塊鋼板焊接成H 型鋼，兩側受力鋼板選用500 mm×75 mm,中間連接板選用350 mm×25 mm。然后采用二氧化碳保護焊，角焊成型。

加固H 型鋼立柱焊接于提升電機側面的回轉平臺，為了減少立柱對回轉平臺地板的剪切力，及后期可能產生的地板裂紋，設計將立柱分布于回轉隔艙的十字交點處，并在隔艙內利用三角形拉筋板加固，以提高其穩(wěn)定性。3 t 重的工字鋼立柱固定好以后，在電抗器支架上部平臺水平方向用200 mm 工字鋼與立柱進行橫梁連接。為了使橫梁更加穩(wěn)固，在橫梁與立柱之間再斜拉焊接1 根工字鋼，與上部橫梁呈三角形加固。電抗器支架上部平臺同一平面，根據(jù)與墻壁立柱實際距離，制作若干150 mm 工字鋼，呈三角形連接，加固支架右側及后面。

3.2 焊接工藝及參數(shù)

由于吊斗鏟所用結構件材料均采用強度較高的鋼板，焊接質量對改造工藝至關重要。焊絲、焊接速度、焊接電壓、焊接方式等，對焊接強度、焊接韌性、焊接成型、電弧穩(wěn)定等方面都有著影響。所以，選擇焊絲型號為TM-811n2,焊接的方式為二氧化碳氣體保護焊，送絲速度范圍7 620～10 160 mm/min，焊接電壓范圍22～28 V，焊接電流范圍190～240 A。

工字鋼在加工制作時就應考慮加工V 型坡口，焊前清理焊接部位周圍的油漆、雜質等，使用角磨機進行打磨。焊時注意溫度監(jiān)測，隨時測量尺寸是否偏移，每次焊1 層都要清理熔渣，做好防風措施，如不慎出現(xiàn)氣孔或夾渣，要停止施焊，利用氣刨將氣孔和夾渣清理干凈再繼續(xù)施焊[8]。焊后按照工藝要求檢測工字鋼垂直情況，焊修后對焊縫進行PT、MT、UT 等無損檢測。

3.3 改造效果

8750-65 型吊斗鏟電抗器支架按此方案改造完成后，電抗器支架從下到上與設備回轉平臺形成一體，電抗器平臺6 個自由度被完全限制。在加固大型工字鋼與墻壁拉筋的作用下，整個支架穩(wěn)定牢靠。吊斗鏟作業(yè)時，電抗器及支架會隨設備回轉平臺一起運動，不會單獨搖晃，證明改進效果完全滿足設計需求。改造完成后，電抗器支架立柱未發(fā)生變形，焊接部位無裂紋產生。各類電氣元件可以正常工作，實現(xiàn)其功能。此方案徹底杜絕了由電抗器支架穩(wěn)定性差引起的各類設備故障，提高了設備能動率，也節(jié)約了大量維修成本。后期加大點檢力度，在日檢周檢時檢查支架完整無裂紋、絕緣無損壞、電纜線卡無松動等，延長設備使用壽命，不斷提高吊斗鏟產品質量。

4 結語

吊斗鏟電抗器支架經過改造運行，再無此結構引發(fā)的故障。研究表明用來支撐電抗器的支架結構，在吊斗鏟運行慣性作用下受力性能的好壞不僅影響到電氣系統(tǒng)的完好、設備的正常運行,而且可能會引發(fā)電器火災等次生災害,給員工生命及企業(yè)財產造成嚴重損失。根據(jù)設備實際運行需求，不斷進行創(chuàng)新改造，有利于設備的良好運行及企業(yè)的全方位發(fā)展。