水阻柜运行维护及事故案例分析

水阻柜运行维护及事故案例分析

于建龙

吉林鑫达钢铁有限公司信息自动化部  吉林省辽源市   136300

摘要：水阻柜是一种常见的大中型电动机的启动设备，它的优点是原理结构比较简单、易于维护，成本较低。本文对水阻柜的基本分类及原理进行了简单介绍，对水阻柜的电阻夜配比计算进行了详细的解读，并用一起实际发生的水阻柜事故案例来进行解刨和分析。

关键词：水阻柜、原理、事故案例

水阻柜，也叫液阻柜，是一种常见的大中型电动机的启动设备，它的优点是原理结构比较简单、易于维护，成本也较低。这种电动机启动设备在国内工业企业应用范围比较广泛，所控设备以风机类为主，所控电动机功率一般在1000kW至12500kW之前。

水阻柜按照所控制电动机的不同，可分为两种：

一种是转子串水阻，即电动机为绕线式（转子回路未短接），此时通过改变起动过程中转子回路的电阻值来逐步实现软起动。绕线式电动机因为有滑环，采用转子串水阻启动的很少。
    另一种是定子串水阻，即电动机为鼠笼式，此时通过改变起动过程中定子回路的电阻值来逐步实现软启动。水阻柜可接在定子的进线端或者星点端。进线端串水阻适用于功率比较小的电机；星点端串水阻适用于功率比较大的电机，这是现场最常见的接线方式。      

水阻柜按照其功能实现方式的不同，也可分为两种：

一种是通过改变电解液的温度来改变电阻值的大小。即在启动过程中，由于液体内部的电解液随着液体温度的升高，电解液分子活动加剧，使电阻值逐步减小，从而逐步改变了机端电压，最终达到软起动的目的。这种水阻柜适合于比较小功率的异步电动机。
    另一种是通过柜内的极板升降来实现的，这种更常见，也适合大一些功率的电动机。它的原理简单来说，就是匀速的改变动极板和静极板之间的距离，从而改变了电阻值的大小，进而逐步改变机端电压，最终达到软起动的目的。
    在这里强调一下，“通过改变电解液的温度来改变电阻值的大小”的型式，主要属于定子串水阻系列。“通过极板升降电机改变阻值大小”的型式，则定子和转子串水阻都可以。

水阻柜属于启动设备，也就是说，当电动机正常原速运转起来以后，是要被短接掉的。因此水阻柜是要和一般型高压开关柜配合使用的。

在水阻柜的维护过程中，经常会用到水阻液的调节和计算。根据行业经验和生产厂家的指导，液体启动电阻R的计算通常采用如下公式：

R = 0.557*（Ue/Ie）·Kw·（Kt/Km）

需要说明的是，串转子与串定子公式相同，符号意义稍有差别。式中，

Ue---转子（定子）回路开路电压（V）；

Ie---转子（定子）回路额定电流（A）；

Kw ---功率富裕倍数，等于额定功率除以需用功率；或者额定电流除以实际电流；

Kt---温度倍数，取溶液温度在20℃为1，若溶液温度在30℃，则约为1.2；

Km---启动转矩倍数，也是启动时额定电流的限定倍数，可取1.1~1.3，一般取1.1，若电网容量足够大，负载转矩较大，可取1.3。（实际上，在现场我们都取3~ 4）。

根据上述公式，我们可以计算一下，例如：某钢铁公司制氧厂有四台空压机，空压机电动机额定电压为10kV，额定电流分别为289A、425A、805A、508A。

在计算时，我们通常把允许启动电流倍数（Km）设为3，温度倍数（Kt）设为1，功率富裕倍数（Kw）设为1.1，则我们把数值带入上述公示，可以得出液阻值计算分别为：7.06Ω、4.81Ω、2.54Ω、4.02Ω。

通常，每一台电动机所对应的水阻柜都是固定的，而水阻柜所对应的液阻阻值也基本是固定的。稍有区别的就是随着环境温度的不同，阻值要有所变化。

总结一下，水阻液阻值的计算结果基本在1.6Ω至10Ω之间。通过计算所得的阻值，我们就可以来调配电阻液了。

上面我说过，水阻启动柜需要配合高压开关柜对电动机进行软启动，以降低启动瞬间的电流。电动机启动以后，水阻柜的星点断路器闭合，将水阻柜的电气主回路甩掉。

如果在正常运行过程中，星点断路器异常断开，就会将水阻柜连接到主电路中，1分钟之内就会将水阻液烧开，造成较大的电气事故。从理论上讲这种情形出现的概率几乎不存在，但是却真的发生了。

2019年3月的一天，某钢铁公司制氧厂对直流屏进行技术升级改造更换。通过施工方案，直流屏更换需要断电时间半个小时左右，在此期间车间电气设备仍然在运行中，是具有一定的风险的。但是，因为此前也进行过类似的施工，都没有发生任何问题，所以就通过了这个方案。从理论上分析，直流屏断电只会造成这一段时间内高压开关柜微机综合保护装置失去保护功能，高压控制回路的暂时失电，不会造成断路器的异常跳闸。

更换作业在上午9点多钟开始，直流屏停电后大约过了5分钟左右的时间，巡检电工发现，空压机水阻柜配电室（水阻柜配电室与直流屏配电室中间相隔了一个高压配电室）冒出蒸汽。进入室内查看，水阻柜内的电解液已经烧开，并且溢出很多。于是马上通知相关人员停机处理。

这件事故的发生，很容易就使人联想到与更换直流屏有关系。由于当时急于恢复生产，并未进行彻底的检查，将水阻液添加合格后便开机运行了。这之后的一段时间，仍然有人认为事故的发生和直流屏断电没有关系，只是时间上非常凑巧而已。

4月27号至30号，全公司停产检修。通过该公司电气业务部门的技术人员和制氧厂电气技术人员反复对照图纸和现场试验，终于弄清楚了事故发生的原因和细节。

制氧厂空压机所涉及的电气控制系统比较复杂，包括空压机启动柜、水阻柜、水阻星点柜、直流屏、DCS控制台几部分，既相互独立又相互具有联锁关系（主电路见图一）。

首先，我们需要搞清楚以下2个细节：

（1）、直流屏出线分为控制母线5路，合闸母线5路。空压机开关柜（型号：XGN2-12）的二次控制回路与星点柜（断路器型号：VS1）的二次控制回路不是接在同一路控制母线上。空压机柜接在第一路上，星点柜接在第三路上。

（2）、空压机开关柜对水阻柜PLC及星点柜的启停控制，并不是直接通过空压机开关柜断路器的辅助开关实现的。辅助开关的一组常开接点（图二中6QS）控制一台“节点扩展继电器”（图二中6KA3），扩展继电器（直流继电器）的一组常开接点控制水阻柜及星点柜的启停。

了解了以上信息之后，我们就可以推断：在更换直流屏时，当断开直流屏第一路控制母线断路器时，空压机开关柜控制回路电源断电，但空压机主回路并未断开；节点扩展继电器6KA3断电，向水阻柜PLC发出停机信号，PLC向星点柜发出停机信号，星点柜断路器跳闸，水阻柜投入。这一切都在瞬间完成，之后，工作人员才将星点柜控制回路母线（直流屏第三路控制母线）分断。

其实，有两个条件可以分别实施保护，从而将空压机停机。那样的话，这就只是一起比较简单的停机事故，而不会发生水阻柜的电解液烧开事故。

一个是空压机电动机开关柜的微机综合保护装置。当水阻柜异常投入后，空压机电动机运行电流将会明显超过过电流保护整定值，从而实施保护跳闸。但是，很显然，微机综合保护装置工作电源来自直流屏，已经断电，保护功能失效。

二是，水阻星点柜断路器辅助开关有一组干接点（即图二中，工艺跳车回路中的“来自水阻柜”的常开接点），反馈到空压机开关柜的控制回路；当星点断路器断开时，促使空压机主回路也断开。

在查找时，我们发现，这组接点在空压机柜端接错了位置，接在了6KA2的一组干接点上，而不是线圈回路中。接线的错误肯定是设备安装时不认真造成的。如果不发生这样的事故，这种细节上的错误也将一直无法被发现。

通过这次事故的发生和处理，我们也可以从中总结出以下的关于电气设备管理、使用和维护方面的经验和教训。

第一，是电气设备的说明书、图纸是设备管理的最基础资料，一定要专人负责、保存完善。尤其是系统复杂的电气设备，一旦出现故障，说明书和图纸就是查找处理问题的最基本依据。

第二，要重视电气设备新安装或改造工程的验收和质保服务环节。在工作中我们发现，很多工程验收后、运行过程中，问题会逐渐显现出来。这就要求我们利用好质保服务环节，与施工单位进行沟通，让他们及时把问题隐患处理掉，以确保设备趋于完善。

第三、在进行不确定的电气设备操作之前，要从实践经验和理论两方面认真进行确认。以免造成意外事故，给企业带来不必要的损失。