大型泵站同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子線圈開(kāi)路原因分析

提要：某大型泵站運(yùn)行中保護(hù)裝置報(bào)勵(lì)磁故障，機(jī)組跳閘，經(jīng)檢測(cè)是轉(zhuǎn)子線圈開(kāi)路故障，本文針對(duì)這次故障，試從大型泵站同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電機(jī)生產(chǎn)、安裝工藝、水泵的不利工況等方面分析故障的成因，并對(duì)避免該故障提出建議。

關(guān)鍵詞：泵站;同步電動(dòng)機(jī);轉(zhuǎn)子線圈;開(kāi)路;原因分析

大型泵站多采用同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，拖動(dòng)大型水泵工作。同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速恒定，它的轉(zhuǎn)速與電源頻率之間有著恒定的同步關(guān)系，即n=60f/p ，功率因數(shù)可調(diào)，效率高，運(yùn)行穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，因此，在低揚(yáng)程、大流量的軸流泵站應(yīng)用廣泛。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式一般采用凸極式，勵(lì)磁電源通過(guò)碳刷、集電環(huán)接入轉(zhuǎn)子線圈。

原單位是洞庭湖區(qū)一座大型電力泵站，采用同步電動(dòng)機(jī)、全調(diào)節(jié)軸流泵機(jī)組，主要功能為防洪排澇。同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率2500KW，額定電壓6.3kv ，功率因數(shù)超前0.8，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓156 V，勵(lì)磁電流210 A，額定轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分。機(jī)組自2003年投入運(yùn)行，通常汛期短時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，在經(jīng)過(guò)16年防汛開(kāi)機(jī)運(yùn)行后，2019年汛期運(yùn)行排澇中發(fā)生故障。6月27日早晨5點(diǎn)55分，值班人員聽(tīng)見(jiàn)4號(hào)機(jī)組電動(dòng)機(jī)異響，立即奔赴電機(jī)層查看，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁屏跳出通道故障和脈沖故障信號(hào)，當(dāng)班人員隨即發(fā)出停機(jī)指令。幾乎同一時(shí)刻，微機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)采集到勵(lì)磁故障信號(hào)，保護(hù)裝置動(dòng)作，跳閘停機(jī)。跳閘停機(jī)后，第一時(shí)間組織技術(shù)力量進(jìn)行了故障排查。通過(guò)核實(shí)故障信號(hào)源、更換元器件、測(cè)量復(fù)核數(shù)據(jù)等一系列檢查，排除了勵(lì)磁系統(tǒng)故障。然后對(duì)同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行觀察檢測(cè)，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子直流電阻，兆歐表?yè)u測(cè)絕緣，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈電阻為無(wú)窮大，拆除機(jī)組檢修蓋板，觀察發(fā)現(xiàn)一處故障點(diǎn)，在轉(zhuǎn)子兩個(gè)線圈繞組連接處有燒損的跡象，最后，確認(rèn)故障原因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞圈連接銅排燒斷，形成電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈開(kāi)路，引發(fā)“勵(lì)磁故障”而導(dǎo)致跳閘停機(jī)。

筆者針對(duì)這次故障，試從大型泵站同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電機(jī)生產(chǎn)、安裝工藝、水泵的不利工況等方面進(jìn)行分析。

大型泵站同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)就是同步電動(dòng)機(jī)自接入電網(wǎng)直至轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的過(guò)程。大部分同步電動(dòng)機(jī)采用異步啟動(dòng)法。該泵站即采用全壓異步啟動(dòng)法。異步啟動(dòng)法主要依靠在定子投入電網(wǎng)后磁極極靴上的啟動(dòng)繞組（阻尼繞組）中的感應(yīng)電流與定子磁場(chǎng)間的產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)的。此時(shí)為避免勵(lì)磁繞組開(kāi)路感應(yīng)的高電壓將絕緣擊穿，必須將勵(lì)磁繞組分段開(kāi)路或短接起來(lái)。在短接時(shí)，短接的勵(lì)磁繞組中會(huì)流入較大的感應(yīng)電流，這個(gè)電流與定子三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使得電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩在一半同步轉(zhuǎn)速附近變小，出現(xiàn)最小轉(zhuǎn)矩，即單軸力矩效應(yīng)。所以，啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組中應(yīng)串聯(lián)一個(gè)電阻值約是5-10倍勵(lì)磁繞組電阻值的啟動(dòng)電阻器。以限制感應(yīng)電流，提高最小轉(zhuǎn)矩，且能提高牽入轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到95%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，給轉(zhuǎn)子加上直流電流勵(lì)磁，這時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)則把轉(zhuǎn)子拉入同步。啟動(dòng)過(guò)程是異步電動(dòng)機(jī)到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換，異步啟動(dòng)時(shí)，定子電流可達(dá)到額定值的6-7倍，所以，大型同步電動(dòng)機(jī)不適應(yīng)頻繁啟動(dòng)。在防汛開(kāi)機(jī)運(yùn)行中，因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置不穩(wěn)定、開(kāi)停機(jī)調(diào)度，曾相對(duì)頻繁啟動(dòng)該臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈不斷流過(guò)大電流，加劇了線圈的絕緣老化損壞，同時(shí)由于在啟動(dòng)與過(guò)載運(yùn)行過(guò)程中，在各種力的作用下，電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的短路環(huán)、焊接點(diǎn)慢慢發(fā)生松動(dòng)，銅條與鐵芯配合過(guò)松致使銅條在槽內(nèi)發(fā)生振動(dòng)，如不能及時(shí)散熱的話，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)絕緣致膨脹變形，引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇，進(jìn)一步破壞繞組結(jié)構(gòu)。

電機(jī)生產(chǎn)、安裝工藝的影響。雖然在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)電氣性能都能夠達(dá)到并超過(guò)技術(shù)條件保證值，但是電動(dòng)機(jī)制造出來(lái)后，由于受到材料性能、工藝波動(dòng)的影響，電氣性能時(shí)常低于保證值。實(shí)際運(yùn)行中渦流損耗、轉(zhuǎn)子銅損、機(jī)械損耗都會(huì)逐步變大，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不利影響。該同步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，有30個(gè)磁極，在這么多磁極中，只有一處相鄰磁極的連接處發(fā)生了燒損斷裂，查驗(yàn)其他磁極的連接處，未發(fā)現(xiàn)異常情況，可能和生產(chǎn)中連接銅排的折彎操作，焊接搪錫工藝不良、工人制造技術(shù)水平等有關(guān)，此處銅排存在折彎損傷，應(yīng)力集中，接觸不良，形成了整個(gè)轉(zhuǎn)子線圈的最薄弱環(huán)節(jié)，在不利工況下，最先被破壞，最終燒損斷裂。其次，在電機(jī)安裝過(guò)程中，存在連接螺栓松緊問(wèn)題，吊裝過(guò)程中，轉(zhuǎn)子外壁存在刮擦損傷，安裝精度，如磁場(chǎng)中心、軸承間隙、安裝水平度等不達(dá)標(biāo)。使電機(jī)運(yùn)行時(shí)處于不利狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的損傷越大，直至故障的發(fā)生。從制作工藝上就是要提高關(guān)鍵部件的質(zhì)量，如提高鐵芯的質(zhì)量，使定、轉(zhuǎn)子鐵芯尺寸精度和幾何精度符合圖紙要求，提高零部件的機(jī)械加工質(zhì)量，保證氣隙均勻度和定、轉(zhuǎn)子鐵芯對(duì)齊，加強(qiáng)硅鋼片的質(zhì)量檢驗(yàn);生產(chǎn)過(guò)程中，技術(shù)工人安裝工藝、技術(shù)水平對(duì)電機(jī)運(yùn)行也產(chǎn)生很大的影響。

水泵的不利工況影響。該泵站采用的2500ZLQ22.5-9.27型軸流泵。根據(jù)垸內(nèi)排澇能力確定啟排水位為28.6米，根據(jù)泵站最小淹沒(méi)深度等參數(shù)確定最低啟排水位為28米，當(dāng)時(shí)實(shí)際運(yùn)行中，軸流泵中心線淹沒(méi)深度僅1米多，揚(yáng)程約5米，而泵的額定揚(yáng)程是9.27米，脫離了設(shè)計(jì)運(yùn)行工況，值班巡視人員反映水泵運(yùn)行聲音變大，汽蝕增大，振動(dòng)變大。在不利工況下運(yùn)行了29天。因水泵和同步電動(dòng)機(jī)采用直連的方式連接，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)也處在不利工況下，顯示電流擺動(dòng)、振動(dòng)加大，容易造成轉(zhuǎn)子線圈連接處金屬疲勞、接觸不良、電阻加大，最終斷裂損壞。

同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子線圈開(kāi)路的故障相對(duì)比較少見(jiàn)，一旦線圈開(kāi)路處理起來(lái)比較麻煩，需要將電機(jī)拆開(kāi)維修，輕則需要將連接處銅條進(jìn)行剝線、打磨、焊接，并進(jìn)行絕緣處理，重則需要更換部分磁極線圈，而且這種故障又很難發(fā)現(xiàn)，在電機(jī)正常運(yùn)行的情況下，不好通過(guò)儀器檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。如何避免類似故障的發(fā)生呢？

1、保證機(jī)組安裝、檢修的質(zhì)量。

大型泵站是水泵電機(jī)組合，水泵軸和電機(jī)軸總垂直上下長(zhǎng)十幾米，機(jī)組安裝中軸線擺度、安裝高程、磁場(chǎng)中心、軸瓦間隙、轉(zhuǎn)子圓度、質(zhì)量平衡等都對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，所以，在安裝、檢修中一定要控制好安裝質(zhì)量，保證必要的精度。安裝完畢，要參考相關(guān)泵站規(guī)范，進(jìn)行交接性試驗(yàn)，測(cè)試定、轉(zhuǎn)子直流電阻、絕緣電阻，直流泄漏試驗(yàn)，甚至做工頻交流耐壓試驗(yàn)等。由于電機(jī)在出廠時(shí)，已經(jīng)做過(guò)交流耐壓試驗(yàn)，因該試驗(yàn)每次對(duì)絕緣都有一定的損傷，屬于破壞性試驗(yàn)，如現(xiàn)場(chǎng)其他試驗(yàn)參數(shù)正常且無(wú)特殊要求，現(xiàn)場(chǎng)一般不再做交流耐壓試驗(yàn)。除了保證質(zhì)量，滿足試驗(yàn)要求后，平時(shí)檢修維護(hù)中，要加強(qiáng)啟動(dòng)繞組、磁極的觀察，看是否有明顯的變色、刮痕、虛焊等損傷，進(jìn)行必要的線圈參數(shù)測(cè)量、試驗(yàn)，并與出廠值、往年試驗(yàn)值做對(duì)比趨勢(shì)分析、判斷。維護(hù)中，注意保證電機(jī)清潔，環(huán)境良好，散熱通風(fēng)順暢，防止灰塵、冷卻水、油漬和其他雜物，進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部。

2、加強(qiáng)運(yùn)行期間值班巡視、防止事故擴(kuò)大。

在自動(dòng)化技術(shù)不斷應(yīng)用的今天，不能忽視人的作用。開(kāi)機(jī)運(yùn)行期間，一定要加強(qiáng)值班巡視，不能完全依靠自動(dòng)化裝置，象類似轉(zhuǎn)子線圈開(kāi)路的故障，自動(dòng)化裝置是無(wú)法提前發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)勵(lì)磁故障報(bào)警跳閘時(shí)，故障已經(jīng)發(fā)生，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，同步電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)入異步電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間將燒毀啟動(dòng)繞組乃至整個(gè)轉(zhuǎn)子，造成更大事故。所以，運(yùn)行值班人員要加強(qiáng)巡視，注意機(jī)組運(yùn)行的聲音、振動(dòng)、氣味等，并與觀察電動(dòng)機(jī)的電氣運(yùn)行參數(shù)的變化，做到發(fā)現(xiàn)及時(shí)、處置得當(dāng)。

3、適時(shí)調(diào)節(jié)水泵的合理運(yùn)行方案。

大型泵站應(yīng)根據(jù)水泵的技術(shù)參數(shù)、特性曲線、內(nèi)外河水位變化，適時(shí)調(diào)節(jié)制定合理的運(yùn)行方案，尤其是針對(duì)全調(diào)節(jié)水泵，應(yīng)根據(jù)水泵特性曲線，調(diào)節(jié)葉片角度，找到合適的工況點(diǎn)，使水泵運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)域，避免在不穩(wěn)定區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行，從而減小機(jī)組的振動(dòng)損害。

結(jié)束語(yǔ)：大型防洪泵站擔(dān)負(fù)著重要的排漬任務(wù)，機(jī)組的穩(wěn)定可靠運(yùn)行關(guān)系到受益區(qū)老百姓的切身利益，作為泵站技術(shù)人員一定要做好設(shè)備的維修維護(hù)，及時(shí)處理設(shè)備隱患。運(yùn)行值班人員要加強(qiáng)運(yùn)行值班巡視，通過(guò)聽(tīng)聲音、聞氣味、看參數(shù)等基本技能判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)候可通過(guò)紅外測(cè)溫儀、成像儀等儀器測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處置類似轉(zhuǎn)子線圈開(kāi)路等故障，避免造成更大的損失。

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作者簡(jiǎn)介：李沅（1979-），男，湖南省益陽(yáng)市城市防洪工程管理處 高級(jí)工程師、研究方向：機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)