10kW廂式電站中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的保護(hù)設(shè)計(jì)

劉文俊

（江蘇泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司，南京 210039）

0 引言

10kW廂式電站是頻率為50 Hz、額定轉(zhuǎn)速為3000r/min、額定電壓為230 V的單相10 kW工頻電站，電站出廠至今歷時(shí)6a，陸續(xù)接到用戶的反饋：有的機(jī)組啟動(dòng)后，發(fā)電機(jī)組無電壓輸出。

1 故障原因分析

1.1 故障現(xiàn)象描述

對于故障電機(jī)，維修人員使用萬用表歐姆檔，檢測出發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈開路，勵(lì)磁線圈斷裂并發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁線圈斷裂處位于綁扎帶的邊緣，在斷裂處有大量的銅綠。

1.2 故障定位

勵(lì)磁繞組斷裂的原因有如下4種可能：1）機(jī)組發(fā)電時(shí)，通過勵(lì)磁線圈的電流過大，該電流超過了勵(lì)磁線圈電流的允許數(shù)值，導(dǎo)致線圈熔斷斷裂。2）機(jī)組工作過程中，廂式電站內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的絕緣性能下降，此時(shí)的電機(jī)絕緣強(qiáng)度就不能保證電機(jī)滿載時(shí)所通過的電流量，從而導(dǎo)致線圈熔斷斷裂。3）工作環(huán)境中濕度過大，導(dǎo)致勵(lì)磁線圈工作過程中受到腐蝕，發(fā)電機(jī)在長期運(yùn)行過程中，勵(lì)磁線圈上面的絕緣保護(hù)膜甚至銅導(dǎo)線會(huì)逐漸銹蝕，會(huì)首先在整個(gè)勵(lì)磁線圈最薄弱的地方出現(xiàn)斷裂。4）機(jī)組運(yùn)行過程中因?yàn)檎駝?dòng)過大而引起發(fā)電機(jī)內(nèi)部元器件的損壞，包括勵(lì)磁線圈的斷裂。

1.3 原因分析

1）對于第一種電流過大導(dǎo)致熔斷的原因，我們對斷裂處的線包進(jìn)行了測絕緣電阻的試驗(yàn)，證明整個(gè)線包的絕緣性是滿足要求的，絕緣性良好。另外，觀察勵(lì)磁線圈斷裂處，并沒有因?yàn)殡娏鬟^大熔斷而燒焦發(fā)黑的痕跡。綜合以上兩點(diǎn)說明勵(lì)磁線圈的絕緣良好，不存在通過勵(lì)磁線圈的電流超過勵(lì)磁線圈的允許數(shù)值而導(dǎo)致線圈熔斷斷裂的問題。

2）對于第二種溫度過高致使電機(jī)絕緣性能下降，從而導(dǎo)致勵(lì)磁線圈熔斷的原因。我們依據(jù)10 kW廂式電站在運(yùn)行時(shí)廂內(nèi)溫度的測量數(shù)據(jù)：試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度42℃，電機(jī)側(cè)的溫度為54℃。電機(jī)的絕緣等級是H級。H級絕緣的含義是：電機(jī)溫升性能允許數(shù)值為125℃，環(huán)境溫度為42℃，電機(jī)允許的溫度上限為167℃，而此時(shí)測得的廂內(nèi)電機(jī)側(cè)的溫度為54℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電機(jī)的溫度上限允許值167℃，因此，可以斷定由于廂內(nèi)溫度過高致使電機(jī)絕緣性能下降，從而導(dǎo)致勵(lì)磁線圈熔斷的原因也不成立。

3）對于工作環(huán)境中濕度過大，導(dǎo)致勵(lì)磁線圈工作過程中受到腐蝕而斷裂的問題。根據(jù)用戶的反映，該電站的使用環(huán)境是沿海地區(qū)，空氣潮濕，從而導(dǎo)致勵(lì)磁線圈表面氧化腐蝕進(jìn)而最終斷裂。但是，當(dāng)我們檢查電機(jī)上面的其它繞組時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的其它繞組（其絕緣性和勵(lì)磁線圈的絕緣性均為H級）并沒有發(fā)生斷裂現(xiàn)象。另外，機(jī)組的控制屏電路部分也沒有發(fā)生任何的斷裂現(xiàn)象，說明機(jī)組的整個(gè)控制電路部分的元器件并沒有出現(xiàn)因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境中濕度過大，導(dǎo)致導(dǎo)線（線圈）工作過程中受到腐蝕而斷裂的現(xiàn)象，至此，我們將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈由于環(huán)境濕度過大而導(dǎo)致腐蝕斷裂的可能性排除。

4）最后一種可能性就是，機(jī)組運(yùn)行過程中因?yàn)槭艿降恼駝?dòng)過大而引起發(fā)電機(jī)內(nèi)部元器件的損壞，包括勵(lì)磁線圈的斷裂。在發(fā)電機(jī)組中，甚至連利用振動(dòng)來精確評價(jià)機(jī)械應(yīng)力也是不可能的事。經(jīng)驗(yàn)表明［1］，如果振動(dòng)級別超過類似發(fā)電機(jī)組可接受的某一‘通常值’后，發(fā)電機(jī)組中的重要零部件將會(huì)因承受過高的振動(dòng)應(yīng)力而發(fā)生機(jī)械損壞。參照文獻(xiàn)［1］的附錄C中對轉(zhuǎn)速為3000 r/min，功率≤15 kV·A（單缸機(jī)），振動(dòng)加速度有效值的通常值1為44 m/s2，通常值2為50 m/s2，根據(jù)實(shí)測廂式電站在機(jī)組下減振墊BE-60損壞和完好兩種不同的情況下，測得的電機(jī)側(cè)的振動(dòng)加速度有效值均遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)加速度有效值的通常值，因此，可以初步判斷因?yàn)檎駝?dòng)過大而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部勵(lì)磁線圈的斷裂。另外，勵(lì)磁線圈的塑料扎帶并不在線包中間的護(hù)套上，而是由于振動(dòng)的原因離開護(hù)套滑向線圈，在持續(xù)的振動(dòng)過程中，扎帶在線圈上面反復(fù)摩擦，最終割破線圈上面的保護(hù)層。但是，銅導(dǎo)線是有一定強(qiáng)度的，僅僅依靠塑料扎帶的摩擦是不能夠?qū)~導(dǎo)線割破的，故此故障原因也應(yīng)排除。

5）綜上所述，我們認(rèn)為電機(jī)勵(lì)磁線圈的斷裂不可能是由上面任一單個(gè)原因所造成的，通過試驗(yàn)和對勵(lì)磁線圈斷裂處的分析，可以得出電機(jī)勵(lì)磁線圈的斷裂是由諸多原因疊加而造成的結(jié)果。電站工作過程中振動(dòng)過大，勵(lì)磁線圈在持續(xù)振動(dòng)的影響下，其扎帶從線包中間的護(hù)套滑落至線包的保護(hù)層上面，扎帶不斷地摩擦保護(hù)層，最終割破表面保護(hù)層使線圈銅導(dǎo)線裸露出來。電站工作時(shí)，勵(lì)磁線圈上面經(jīng)過大電流造成線圈高溫，因?yàn)殡娬咎幱谘睾８邼穸鹊沫h(huán)境中，這種情況下，裸露的銅導(dǎo)線通電時(shí)就會(huì)發(fā)生電氧化現(xiàn)象，此處就會(huì)成為整個(gè)勵(lì)磁線圈最薄弱的部分。此時(shí)，減振墊一旦出現(xiàn)損壞，其振動(dòng)情況比完好的減振墊的振動(dòng)情況更為惡劣，使勵(lì)磁線圈終于在線圈最薄弱的部分發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無電壓輸出。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)措施

根據(jù)上面的原因分析，發(fā)現(xiàn)僅僅通過更換發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組的方法是不能徹底解決問題的，需要從10 kW廂式電站本身的振動(dòng)、結(jié)構(gòu)、電機(jī)防護(hù)等方面考慮來解決此問題。

要確保公路橋梁養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的提升，工程建設(shè)單位還應(yīng)就養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍的專業(yè)性進(jìn)行規(guī)范建設(shè)。一方面，通過專業(yè)的養(yǎng)護(hù)培訓(xùn)，確保在以“?！睘楹诵牡闹笇?dǎo)下，公路養(yǎng)護(hù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)工程潛在問題的有效發(fā)現(xiàn)，并能進(jìn)行規(guī)范性的防治處理。另一方面，確保公路橋梁養(yǎng)護(hù)人員具有較高的職業(yè)素養(yǎng)，能夠積極、主動(dòng)且負(fù)責(zé)的進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理，從而避免養(yǎng)護(hù)過程責(zé)任心不強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)怠工等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 振動(dòng)方面

2.1.1 故障現(xiàn)象

對機(jī)組的拆解，發(fā)現(xiàn)機(jī)組底部BE-60減振墊已經(jīng)損壞。

2.1.2 振動(dòng)的測量

1）國軍標(biāo)振動(dòng)方面的相關(guān)規(guī)定。電站工作時(shí)振動(dòng)的單面振幅數(shù)值應(yīng)不超過0.3 mm或者0.5 mm［2］。

601［3］方法：在機(jī)組 3 種工況空載、半載、滿載時(shí)測量振動(dòng)值。

對機(jī)組按振動(dòng)的三要素（S、v、a）進(jìn)行測試，3種工況在3個(gè)方向上分別進(jìn)行測試，測試點(diǎn)為發(fā)電機(jī)的后端部，分別計(jì)算出空載、半載、滿載情況下故障機(jī)組加速度的有效值，見表1。

表1 BE減振墊下振動(dòng)測試結(jié)果m/s2

表2 EA減振墊下振動(dòng)測試結(jié)果m/s2

3）機(jī)組在安裝EA-60的減振墊下的振動(dòng)。

對機(jī)組按振動(dòng)的三要素（S、v、a）進(jìn)行測試，3種工況在3個(gè)方向上分別進(jìn)行測試，測試點(diǎn)為發(fā)電機(jī)的后端部，分別計(jì)算出空載、半載、滿載情況下故障機(jī)組加速度的有效值，見表2。

2.1.3 抗振動(dòng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)三要素（S、v、a）的有效值選取如表3，測點(diǎn)為發(fā)電機(jī)的后端部。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)看出，表1中測量的加速度有效值均遠(yuǎn)大于44 m/s2的安全值，而表2所測量的加速度有效值介于44～55 m/s2之間，從以上分析可以知道，安裝BE-60減振器的發(fā)電機(jī)組振動(dòng)加速度超差，會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)等部件損壞，而安裝EA-60減振器的發(fā)電機(jī)組振動(dòng)加速度是處于最小值數(shù)值1和最大值數(shù)值2兩者組成的區(qū)間內(nèi)。根據(jù)我公司與機(jī)組供貨商簽訂的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能篩選優(yōu)化技術(shù)協(xié)議，可以確保發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行。

因此，在解決機(jī)組振動(dòng)問題方面，我們采用更換4個(gè)BE-60減振墊為4個(gè)EA-60減振墊的方式來減輕振動(dòng)過大對機(jī)組的破壞。

表3 發(fā)電機(jī)組振動(dòng)三要素（S、v、a）有效值要求

2.2 結(jié)構(gòu)方面

我們將廂體進(jìn)行改造，在不影響電站性能的前提下，增大進(jìn)風(fēng)口，面積從改進(jìn)前的200 mm×295 mm到改進(jìn)后的260 mm×500 mm，同時(shí)使排風(fēng)途徑通暢，改善了廂體內(nèi)溫升狀況，其作用是減少廂內(nèi)外溫差，改進(jìn)前廂內(nèi)外溫差為10℃，改進(jìn)后廂內(nèi)外溫差為6℃，降低導(dǎo)致機(jī)組凝露的可能性，從而減少電解異體的總量。

2.3 電機(jī)防護(hù)方面

針對10 kW廂式電站用戶多使用在沿海高濕度的環(huán)境中，我們對10 kW廂式電站的發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈進(jìn)行了進(jìn)一步防護(hù)處理。從以下幾個(gè)方面著手：

1）在浸漆前繞線和綁扎時(shí)，避免擦傷繞組。

2）采用棉布軟扎帶替代塑料硬扎帶，綁扎時(shí)，注意檢查是否有擦傷和繞組凹坑；操作平臺增加防護(hù)，避免繞組跟平臺直接接觸。

3）對勵(lì)磁的浸漆工藝進(jìn)行改善，采用VPI浸漆方式，提高繞組的滲透性，由原來的全綁扎然后浸漆，改為先浸漆一次，然后全綁扎，再浸漆；

4）提高勵(lì)磁繞組銅導(dǎo)線的質(zhì)量等級和工藝考核要求，改用滲透性更好的5070環(huán)氧類樹脂漆替換現(xiàn)有的FT2015聚酯類樹脂漆。

3 結(jié)論

通過對10 kW廂式電站的振動(dòng)進(jìn)行分析，同時(shí)改善機(jī)組的通風(fēng)狀態(tài)，對勵(lì)磁繞組本身進(jìn)行加固處理，在振動(dòng)、結(jié)構(gòu)和電機(jī)自身防護(hù)等三方面對發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，自內(nèi)而外地對10 kW廂式電站中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組進(jìn)行保護(hù)，從根本上杜絕了勵(lì)磁繞組再次斷裂的可能性，事實(shí)證明，對10 kW廂式電站的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施有效，切實(shí)可行，提高了電站的整體可靠性［4］。

［1］ 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第9部分機(jī)械振動(dòng)的測量和評價(jià)：GB/T2820.9-2002［S］.

［2］ 軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范：GJB235A-1997［S］.

［3］ 軍用內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法：GJB1488-1992［S］.

［4］ 劉根成.50kW中頻發(fā)電機(jī)組的減振改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.移動(dòng)電源與車輛，2013（2）：1-3.