電站直流勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行中的常見故障處理

董素紅，周振雄，張大彪

（1河北省邢臺(tái)市朱莊水庫(kù)水電站，邢臺(tái) 054001；2邢臺(tái)鋼鐵有限責(zé)任公司，邢臺(tái) 054001）

引言

河北省邢臺(tái)市朱莊水庫(kù)水電站于1981年建成，一期工程安裝三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組 （1#機(jī)3200kW，3#、4#機(jī)為500kW），其直流勵(lì)磁機(jī)均采用自并激勵(lì)磁方式。在多年的運(yùn)用中，勵(lì)磁系統(tǒng)在基本滿足機(jī)組開停機(jī)及運(yùn)行調(diào)節(jié)要求的同時(shí)，也出現(xiàn)過(guò)一些影響正常運(yùn)行的現(xiàn)象，造成發(fā)電機(jī)不能建立電壓，現(xiàn)就其中常見的幾例故障介紹分析如下：

1 常見故障及處理

1.1 調(diào)整刷握架與換向器間隙，造成電刷與換向器接觸面過(guò)小，發(fā)電機(jī)不能建壓。3#機(jī)刷握架與換向器間由于機(jī)組安裝時(shí)調(diào)整的間距偏大 （約6-7mm），并且刷握縱向軸線指向偏離換向器軸線，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行磨損，電刷與換向器的接觸面成馬蹄形，造成電刷的縱向軸線指向遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離電機(jī)軸心，電刷雖然還有較大的剩余量，但在刷握內(nèi)安全可靠性已較差。在檢修過(guò)程中，我們僅調(diào)整電刷縱軸線指向了電機(jī)軸心，并調(diào)節(jié)刷握與換向器的間隙至3mm左右，但忽視了電刷與換向器接觸面的處理。造成了在調(diào)整后的開機(jī)過(guò)程中，出現(xiàn)了機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下不能建壓的現(xiàn)象，經(jīng)對(duì)電刷與換向器接觸面進(jìn)行處理，使電刷與換向器接觸面達(dá)90%以上，開機(jī)建壓成功。

1.2 1#機(jī)短接強(qiáng)行減磁電阻RQJ用的接觸器接點(diǎn)QJ接觸不良（見圖1），造成開機(jī)時(shí)機(jī)組不能建壓。由于強(qiáng)行減磁直流接觸器滅弧罩在組裝過(guò)程中不細(xì)心，造成了接觸器動(dòng)觸頭連桿靈活性較差，在接觸器動(dòng)作復(fù)位后，常閉觸點(diǎn)不能可靠接觸，造成不能建壓，經(jīng)對(duì)接觸器滅弧罩重新組裝調(diào)整，故障消除。

1.3 機(jī)組轉(zhuǎn)速偏低，合滅磁開關(guān)后不能建壓。3#機(jī)組啟動(dòng)后，在轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速80%的情況下，合滅磁開關(guān)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁用磁場(chǎng)變阻器已超過(guò)額定電壓位置，發(fā)電機(jī)不能建立電壓，檢查調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速至額定值，機(jī)組建壓成功。

1.4 1#機(jī)電刷型號(hào)選擇不當(dāng)，造成換向器與電刷接觸面形成深溝。1#機(jī)原配電刷為DS214型，運(yùn)行初期，后刷邊有輕度火花，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，火花逐漸加大，經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行后，在電刷和換向器接觸面間形成了相互吻合的鋸齒面，凹凸深度達(dá)1-2mm。在檢修過(guò)程中我們對(duì)換向器進(jìn)行了車削處理，并用DS104型電刷替換了原來(lái)配置的電刷。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，換向器表面形成了氧化銅層，電刷與換向器接觸面運(yùn)行效果良好，電機(jī)工作正常。

2 故障的原因分析

2.1 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路電阻過(guò)大，機(jī)組不能建壓

由直流發(fā)電機(jī)的建壓原理可知：直流發(fā)電機(jī)自行勵(lì)磁建立穩(wěn)定的電壓，必須滿足：

2.1.1 具有剩磁和磁飽和特性；

2.1.2 正確的電樞旋轉(zhuǎn)方向和電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組的正確連接；

2.1.3 勵(lì)磁回路電阻值必須小于臨界電阻值。

由圖1可見在故障現(xiàn)象1.1、1.2當(dāng)中，無(wú)論是電刷接觸面的減小，還是強(qiáng)行減磁接觸器接點(diǎn)QJ接觸不良，均造成了電機(jī)勵(lì)磁回路勵(lì)磁電阻的增加，從而對(duì)勵(lì)磁機(jī)的建壓造成了影響。其原理可結(jié)合圖2分析見得：

在圖1所示的勵(lì)磁回路中，勵(lì)磁電流IL，電阻RL和機(jī)端電壓間Ua的關(guān)系，可用Ua=ILRL表示。（RL為勵(lì)磁回路總電阻）如圖2所示在合適的RL下，當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電樞切割主磁極的剩磁磁場(chǎng)而產(chǎn)生剩磁電動(dòng)勢(shì)E0，并由此在勵(lì)磁回路中產(chǎn)生勵(lì)磁電流IL0，該電流又在電機(jī)磁路內(nèi)建立磁場(chǎng)，使主磁場(chǎng)得到加強(qiáng)，使電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步提高；經(jīng)過(guò)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電流，電流增加磁場(chǎng)進(jìn)而提高電動(dòng)勢(shì)的不斷反復(fù)，使電動(dòng)勢(shì)沿曲線規(guī)律得到增大；并最終使發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定在場(chǎng)阻線U=ILRL與電機(jī)電動(dòng)勢(shì)Ea曲線的交點(diǎn)a，機(jī)端電壓達(dá)到穩(wěn)定。由圖1圖2可見，在相同的IL下，當(dāng)對(duì)應(yīng)的Ea＞ILRL，即電樞電動(dòng)勢(shì)Ea比IL在RL產(chǎn)生的電壓降大時(shí)，電樞電動(dòng)勢(shì)能使勵(lì)磁電流增大，進(jìn)而使主磁場(chǎng)增強(qiáng)，電樞電動(dòng)勢(shì)升高，經(jīng)不斷反復(fù)，直至Ea=ILRL點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定，建立電壓。當(dāng)Ea=ILRL時(shí)，由于Ea不能產(chǎn)生使磁場(chǎng)增加的勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)不能進(jìn)一步得到增強(qiáng)，電動(dòng)勢(shì)只能維持在剩磁電動(dòng)勢(shì)E0，而不能升高，發(fā)電機(jī)將不能建壓。

當(dāng)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻RL增大并超過(guò)發(fā)電機(jī)建壓的臨界電阻 RJ時(shí)， 電樞電動(dòng)勢(shì) Ea＜IL′RL′，電機(jī)不能正常建壓；在這故障1、2中均應(yīng)屬因勵(lì)磁回路電阻增大，導(dǎo)致電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下不能正常建壓。

2.2 機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，機(jī)組將不能正常建壓

在因轉(zhuǎn)速偏低造成不能建壓的故障1.3中，由線圈感應(yīng)電勢(shì)E與轉(zhuǎn)速n和氣隙磁通量準(zhǔn)的關(guān)系E=Fn準(zhǔn)可知，當(dāng)電機(jī)剩磁磁通一定時(shí)，建壓過(guò)程中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E與電機(jī)的轉(zhuǎn)速n成正比。參照?qǐng)D1、圖2分析可見，在同樣的勵(lì)磁電阻RL下，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，同樣的剩磁產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將較正常轉(zhuǎn)速時(shí)變小，至Ea＜ILRL時(shí)，電機(jī)即不能建壓。因此，在勵(lì)磁回路電阻配置調(diào)試完成后，達(dá)到或接近發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，是發(fā)電機(jī)建壓的必要條件，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，發(fā)電機(jī)在原定的勵(lì)磁回路電阻下，不可能成功建壓。

2.3 電刷選擇得當(dāng)，才能使換向器得到保護(hù)

在電刷的選擇中，通過(guò)查閱電刷的有關(guān)資料得知：D214型電刷一般應(yīng)用于換向困難，電壓在200V以上帶有沖擊性負(fù)荷的直流電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)，如工礦冶金用直流電機(jī)、熱電機(jī)車主發(fā)電機(jī)等部分的設(shè)備。該碳刷在使用過(guò)程中，盡管我們采取過(guò)調(diào)整碳刷壓力、車削處理?yè)Q向器接觸面等措施，力圖使換向器避免燒痕，但是均未能避免碳刷與換向器間產(chǎn)生火花，并使換向器形成溝痕，不得不再次進(jìn)行車削處理。本站該機(jī)為轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分的小型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁用電機(jī)，對(duì)換向無(wú)特殊要求，運(yùn)行電壓在115V以下，通過(guò)查找比較碳刷的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)D104型廣泛用于換向正常、電壓為80-120V的直流電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)及電焊發(fā)電機(jī)等，如一般直流電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)組、船電直流電機(jī)、專用直流電機(jī)、機(jī)車電機(jī)等場(chǎng)合，D104型電刷的適用范圍更接近于本站機(jī)組（如表1）。故而我們選擇D104型碳刷試用，結(jié)果，電刷與換向器間沒(méi)有產(chǎn)生火花，而且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，換向器表面產(chǎn)生了氧化層，換向器被燒蝕的現(xiàn)象得到了避免，機(jī)組運(yùn)行正常，收到了優(yōu)良效果。

表1 碳刷技術(shù)性能表

3 結(jié) 論

根據(jù)朱莊水庫(kù)水電站機(jī)組的多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為防止因使用維護(hù)不當(dāng)影響機(jī)組的正常運(yùn)用，自并激勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)在使用過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

① 為使機(jī)組建壓成功，投勵(lì)磁時(shí)，一定要確保電機(jī)轉(zhuǎn)速已達(dá)額定值；

② 在轉(zhuǎn)速、剩磁條件都具備的情況下，當(dāng)出現(xiàn)不能正常建壓時(shí)，要認(rèn)真檢查勵(lì)磁回路電阻，在消除引起回路電阻增大的原因后，一般建壓可以成功；

③ 如果電機(jī)運(yùn)行中電刷火花較大，并經(jīng)調(diào)整電刷壓力、位置等均無(wú)效時(shí)，要選擇其它型號(hào)電刷試用，只要選型合適，總能使電刷火花得到消除，使電機(jī)換向器避免燒蝕。

[1]吳大榕，電機(jī)學(xué)[M].北京:水利水電出版社,1979.

[2]宋正芳,電機(jī)電刷的應(yīng)用與維護(hù)[M].沈陽(yáng):黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1984.