水处理厂电气自控系统故障分析与维护

刘道奇

（极膜环境科技（上海）有限公司，上海 200065）

随着污水处理工艺日渐成熟，对电气自控系统的要求也越来越高。污水处理厂的电气从业人员普遍存在专业程度不高，电气自控专业知识比较薄弱的问题。因此，技术人员要做好这些设备的故障分析及维护工作，还需要不断加强理论知识的学习，对电气维修方法进行分析及总结，加强污水处理厂的电气设备日常保养及运行维护管理至关重要。

1 污水处理工艺及主要电气设备的介绍

污水处理厂按照工艺处理程度可以分为一级处理、二级处理和三级处理。一级处理主要是去除污水中呈悬浮状态的固体物质，常用物理法主要设备包括粗格栅、输送机、提升泵、除砂器及分离器，仪表包括进水液位计。二级处理将大幅度去除污水中的CODcr、BOD5、氨氮、总氮、磷和悬浮物，生化处理法的主要设备包括搅拌器、推流器、潜水泵、风机和电动阀门，仪表包括进水流量计、溶解氧、污泥浓度。三级处理是混凝沉淀、砂滤处理等过程，深度处理法主要设备包括提升泵、搅拌器、刮泥机、加药泵、干投机、电动阀门、反洗水泵及风机，仪表包括液位计和流量计。经过以上三级处理后，然后通过紫外线消毒渠，达到一级A排放标准外排或回用。此系统还包括污泥脱水系统。工艺流程图如图1所示。该厂的污水处理系统中包括的设备比较多，因此要先对设备进行分类，主要设备分为格栅机、提升泵、搅拌机、回流泵、电动阀门、风机、电动阀门、反冲洗水泵及风机、加药泵、脱水机和紫外线消毒系统等。按照控制方式可以分为直接启动、变频器控制以及软启动控制。在线进出水仪表为流量、pH、COD、温度、氨氮、总磷以及总氮等。低压元器件为施耐德。PLC为S7-300 系列。通信方式采用PROFIBUS-DP通过通信电缆与ET200子站相连，通过S7-300自带以太网口与中控室WINCC进行通信。

图1 污水处理厂工艺流程图

2 格栅机、搅拌器及推流器等直启设备电气故障分析与处理

2.1 过载故障

格栅机、搅拌器及推流器多采用直接启动控制方式，它们的故障情况一般为过载故障，热继电器发热动作，使电机主电路断开起到过载保护作用。电机过载是指电机实际运行功率超过额定功率的状态，由于电机负载转矩太大，导致电机电流超过其额定电流，电流过大会造成定子绕组发热严重，绕组绝缘因过高温度而老化严重，过载运行转速会变慢且电机发出异常震动或有“嗡嗡”声，严重时甚至可能堵转以及影响电机的使用寿命。

通过观察法目测电机传动机构是否有异物卡住以及是否过紧或过松，传动机构润滑油是否干涩以及是否轴承卡壳、机械锈死等，手动盘一下电机，判断是机械故障还是电机本身的质量问题，电机密封是否完好，有没有受潮、漏电的现象。轴承连接处是否受损变形等，都会导致电机负载增大，应尽量先排除这些缺陷。使用手去触摸电机表面来检查轴承温度或设备运转时是否存在严重振动等现象，也可以通过嗅觉察看周围环境是否存在焦臭异味，严重时还会冒浓烈的黑烟来进行判断。

运用兆欧表测量阻值，来判断电机绝缘是否受潮或因事故而击穿，测量前必须将被测设备电源切断，并对地短路充分放电。决不能让设备带电进行测量，以保证人身和设备的安全[1]。对可能感应出高压电的设备，必须消除这种可能性后，才能进行测量。根据不同的等级选用不同的兆欧表测量每组的绝缘电阻，通常对500 V以下电压的电机用500 V兆欧表测量，兆欧表的L接绕组（可全接，也可以逐个测试），E接电机外壳，一般中小型低压电机测的结果全部不小于0.5 MΩ为合格。如果读数极小或为0，可以判定该项绕组接地。

查看电气原理图，确认电机的额定功率与实际负载是否匹配，如果电机的额定功率小于实际负载，负载过重。如果电机长时间超负荷运行，电机定、转子电流增大而发热增大。电机供电电压不稳定过高或过低，电机损耗增加。长时间运行状态都极易出现绕组电流不平衡现象。

热继电器故障使电机控制电路断开而交流接触器线圈失电，接触器触头分开而主电路断开，电机停车而得到过载保护。当故障排除后，按复位按钮使热继电器复位后才可以重新启动电机。热继电器选型时其整定电流的0.95～1.05 倍或中间值等于电机额定电流。使用时要将热继电器的整定电流调至电机的额定电流值，如果启动时还是热继电器动作，可以先把整定电流调大为电机的额定电流的1.05倍左右试一下。一般这类电机设备使用一段时间后，由于机械磨损或绝缘值降低等原因会造成电机实际运行电流比额定值大，需要重新对热继电器进行整定。如果是热继电器热元件变形不能复位或是质量问题，热继电器损坏而误动作需要更换与原规格一致。热继电器电流的整定值不能超过断路器额定电流值，如果超过会造成热继电器保护没有起到作用而断路器频繁跳闸，影响其相关电气设备的正常运行。

2.2 三相电流不平衡故障

三相电流不平衡故障会导致电机起动困难；电机运行时噪声会增大，严重时发出剧烈振动及吼叫，电流增大，如果不及时停机可能会烧坏电机。以下为处理和应对三相电流不平衡故障的相关措施。

检查三相电压是否不平衡，变压器三相绕组中是否有某相发生异常，如果有异常会造成变压器输送到MCC动力柜电源电压不对称。如果动力柜到电机线路过长，电线电缆截面大小不均匀，每相电缆上的阻抗压降不同，会造成各相电压不平衡。由于污水厂设备比较多，会存在动力、照明混合公用的情况，照明属于单相负载，如果过于集中于某一相或某二相，各相用电负荷分布不均，造成各相电压、电流不平衡。可以先用万用表测各相电压看是否在允许的范围内，如果三相之间三相电压不平衡超过5%，使就会使电机的相电流超过其额定的20%以上。其次，用钳形表测量每相电流是否正常，检查一下具体电气回路线路是否正常以及各连接线处和触点是否松脱或氧化。如果电机所带负载过重，长时间处于过载运行状态，就会造成绕组电流不平衡现象。其次，检查电机电源进线与接线盒是否存在漏电现象。电机频繁起动时，起动时间过长或过短都会造成线路熔丝熔断。如果电机长期使且缺少维护保养，就会导致电机局部绝缘老化严重。这些因素都会造成三相电流不平衡故障。最后，进一步检查电机本身是否有短路、断路或者绝缘损坏、定子绕组接地等问题。

3 水泵、风机等变频设备电气故障分析与处理

变频器主要由整流、滤波、制动单元、驱动单元、检测单元以及微处理单元等组成，将商用频率交流电转换为可控可调频率和电压的交流电。整流是将工频交流电变为直流电。逆变是将直流电变为电压和频率可控可调交流电。变频器还具有过电流、过电压和过载保护等许多保护功能。

变频器在污水处理厂中应用得非常广泛。由于污水处理厂水泵及风机用电量占整个厂用电量的80%以上，水泵及风机采用变频器后省电比率为20%～60%，因此有利于节能减排。电机变频启动使电机不断加速，频率和电压相应增加，起动电流被限制为小于额定电流的150%，最大电流也不会超过200%，启动转矩为额定转矩的70%～120%。直接用工频电源起动会使启动电流为额定电流的6～7倍，因此，变频器启动过程比较平稳，可以减轻负载启动对电网的冲击，有效减少无功损耗以及提高电网的有效功率，还可以减少机械和电气上的冲击以及传动部件之间的磨损，延长设备的使用寿命，降低设备的维护费用。

提升泵及风机一般采用变频调速控制流量，该项目采用的变频器为施耐德ATV61，常见故障见表1。如果出现故障，在中控室上位机上会有故障报警界面信息提示，工作人员可以到现场变频器控制柜查看故障代码，查阅变频器手册。常见故障有2种：1） EPF1，外部故障。故障被外部设备触发，由用户决定。该类故障需要检查变频器与电机连接是否牢靠，一般是由线路虚接造成的。可以首先将变频器上端断路器断开，把变频器下端口RST上3个接线端螺丝重新松一下，水泵接线腔里也重新松一下再拧紧，然后再上电，故障一般就会消失。2） USF，欠压。主电源电压太低，瞬时电压下降，预充电电阻器损坏。过电压报警一般是出现在停机的时候，主要原因是减速时间太短或制动电阻及制动单元有问题，当变频器在减速时，因为电机转子绕组切割旋转磁场的速度加快，转子的电动势和电流增大，使电机处于发电状态，回馈的能量通过逆变环节中与大功率开关管并联的二极管流向直流环节，使直流母线电压升高所致，所以应该着重检查制动回路，测量放电电阻是否有问题。实际测量制动管时发现其已被击穿，更换后上电，运行以及快速停车都没有问题。

表1 施耐德ATV61系列变频器常见故障代码

4 反洗风机等软启动设备电气故障分析与处理

软启器主要由三相反并联晶闸管及其电子控制电路构成。软启动也称为调压器，电机启动时输出只改变了电压，输出频率不可调节并且没有改变仍为电源频率。通过控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零逐渐增加，起动转矩及转速逐渐增加，直到晶闸管全导通，电机工作在额定电压的机械特性上，电机全压启动结束。在软起动过程中电机启动平滑，启动电流小，避免启动过流跳闸。实现电机的软启动、软停车、多种保护功能于一体。

反洗风机一般采用软起动控制，该项目采用的软起动为施耐德ATS48，常见故障见表2，ATS48报OCF故障，查阅软起动手册，OCF故障的原因为软启动器过电流故障。检查软起动参数设置是否和电机铭牌数据一致，过电流保护阀值设置是否得当，应考虑电机的启动电流和启动时间电机的启动电流一般为额定电流 的5～7倍。对于不频繁启动、连续运行的电机，在加减速时间设置不超过6 s的情况下，可设置为电机的额定电流的1.1倍。

表2 施耐德ATS48系列软启动常见故障代码

5 电动阀门故障分析与处理

电动阀门由电动装置和阀门2个部分组成，经过安装调试连接起来，电动阀门使用电能作为动力来接通电动装置驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作，从而完成对管道内介质的开关或调节。电动装置一般由专用电机、减速机构、行程控制机构、转矩限制机构、手自动切换机构以及开度指示器组成。电动装置的控制模式一般分为开关型和调节型。电动阀门一般出现的故障为卡堵，多出现在新系统投运和设备大修期间，由于管道内焊渣、铁锈等造成堵塞，使得介质流通不畅，阀门在开启或关闭的过程中摩擦力增大，导致过力矩，因此在安装前要对管路进行清洗，排出污管道内焊渣、铁锈等污物。安装调试后，为了保证污物没有残留在阀体内，还应该再次清洗阀门，即通入介质时应使所有阀门开启，以免杂质卡住。

由于污水处理厂大多数阀门长期处于常开或常闭状态，行程或力矩控制机构容易失灵，一旦需要开启或关闭时易出现开关不到位，电机长时间处于工作状态甚至烧坏电机，造成电机故障，一旦电机损坏则无动力输出。因此要做好阀门维护保养，每过一段时间需要对阀门进行切换，来回操作几次阀门的开启或关闭，可以确认一下阀门是否卡死以及限位开关是否失灵。

6 PLC通信故障分析与处理

S7-300PLC系统中安装CPU的机架为主机架，当主机架上的IO模块（最多8块）点数不够时，可以通过扩展机架的方式扩大系统规模，S7-300最多可以扩展3个机架，每个扩展机架最多可以安装8个I/O模块，装在4槽～11槽，3个扩展机架最多安装24个I/O模块。因为不同的工艺段设备间都比较远，本地扩展有限，所以需要PLC控制柜采取远程IO分布式布置，利用扩展模块SIMATIC ET200M IM153-1来扩展远程子站，采用PROFIBUS通信，当波特率为1.5 MBit/s时， 最大允许通信距离为200 m；当波特率为500 KBit/s时，最大允许通信距离为400 m；而当波特率为9.6 KBit/s～187.5 KBit/s时，最大允许通信距离为1000 m。PROFIBUS-DP现场总线错误经常出现，模块上BF闪烁为总线故障[2]。首先需要检查从站地址拨码与主站硬件组态地址设置是否一致以及硬件组态波特率设置。如果站点为终端则DP总线终端电阻拨码设置为ON，否则为OFF。DP接头要做好接地，DP接头内的金属片要和电缆接头的屏蔽线紧密接触。由于强电对通信电缆有干扰，在施工布线时要将通信线和强电分开。DP线两端的DP接头终端电阻都ON的位置，用万用表测量DP接头的3号和8号引脚之间的电阻值正常为110 Ω左右。如果一端为ON位置，另一端为OFF位置，这时测量的电阻值正常为220 Ω左右。另外，DP接头本身损坏需要进行更换。

7 仪表故障分析与处理

污水处理过程是复杂的生化反应过程，其中涉及的仪器仪表种类繁多，仪表是监控系统中最基础、最重要的环节，仪表数据的准确性为水处理水质的指标提供了重要依据，以便于工艺人员针对水质及时调整工艺手段，保障安全生产。项目中仪表采用电流型4-20MA信号接入PLC模拟量模块 。为了防止数据错误需要调整好量程卡（D： 2线制或者C：4线制），变送器+和-分别接模块M+和M-形成电流环，接线及硬件设置正确无误，程序中量程范围设置要正确。信号传输到PLC显示不正确，用万用表来测量，将万用表打到直流mA档，然后把表笔串入到回路中测量电流信号是否正常。仪表常见故障为仪表探头电极表面受污染所引起的指示数据不稳定，测量的数据误差大。针对不同的仪表需要对症下药，定时用相应的药水或洗涤剂进行维护清洗。如果在清洗后指示数据仍跳动，可能是电极接触不良的问题，需要更换新的电极。

8 结语

随着国家排放标准越来越严格，对电气自控系统的可靠性和安全性的要求也显著提高，当发生故障时，应该及时对故障进行正确的分析及处理，防止事故进一步扩大，保证水处理系统正常平稳地运行。