珠三角地區(qū)水利工程10kV同步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障淺析

王偉

（佛山市順德區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 佛山 528300）

引言

隨著珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，水利工程作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)步伐也在不斷加快。在大中型軸流式抽水泵站中，高電壓等級(jí)、大功率的同步電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的載體，直接拖動(dòng)軸流水泵工作。同步電動(dòng)機(jī)由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時(shí)能給供配電網(wǎng)提供相應(yīng)的容性無(wú)功，可以有效改善泵站供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在珠三角地區(qū)的水利工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。在長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)行中，同步電動(dòng)機(jī)由于受強(qiáng)大的電、熱、機(jī)械力等作用，以及周?chē)h(huán)境(特別是珠三角地區(qū)特有的潮濕的氣候)的共同影響，加上電機(jī)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括其勵(lì)磁控制系統(tǒng)）較異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，對(duì)使用環(huán)境和使用要求均有更高的標(biāo)準(zhǔn)，這使得同步電動(dòng)機(jī)故障較異步電動(dòng)機(jī)要復(fù)雜。本文對(duì)珠三角地區(qū)實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的10kV同步電動(dòng)機(jī)故障類(lèi)型及故障原因進(jìn)行總結(jié)后，對(duì)減少同步電動(dòng)機(jī)故障的一些改進(jìn)性措施進(jìn)行認(rèn)真的分析探討[1]。

1 泵站10kV同步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障類(lèi)型及原因分析。10kV同步電動(dòng)機(jī)是整個(gè)泵站拖動(dòng)系統(tǒng)中的核心動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備，其工作可靠性直接影響到水泵機(jī)組能否高效穩(wěn)定的運(yùn)行。10kV同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的類(lèi)型及原因是多種多樣的，因此，在日常運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)不同故障類(lèi)型和故障原因進(jìn)行分析總結(jié)，可以有效提高水泵機(jī)組故障檢修效率，保證泵站水泵機(jī)組高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

1.1 同步電動(dòng)機(jī)定子過(guò)熱

在實(shí)際工程應(yīng)用中，同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生定子過(guò)熱故障時(shí)，尤其當(dāng)故障發(fā)生在夏季時(shí)，其定子繞組溫度可以上升到100℃～110℃左右，給機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的安全隱患。10kV同步電動(dòng)機(jī)造成定子發(fā)熱故障的原因很多，具體歸納為如下幾個(gè)主要原因：

（1）電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載不正常。珠三角的水利工程中，電機(jī)拖動(dòng)的主要負(fù)載為水泵。當(dāng)河水中的水草、垃圾袋或其它垃圾偶然穿過(guò)攔污柵進(jìn)入水泵的葉輪室，突然與葉輪發(fā)生纏繞時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力陡然增加，從而導(dǎo)致電機(jī)輸出的功率增加。拖動(dòng)系統(tǒng)輸出與輸入保持平衡是電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。當(dāng)高壓同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其拖動(dòng)系統(tǒng)中負(fù)載量突然增加，定子繞組內(nèi)部所形成的定子電流就會(huì)同時(shí)增加，從而造成定子線圈銅耗量大大增加，在定子繞組中劇烈發(fā)熱溫升，熱量的不斷積累就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子出現(xiàn)過(guò)熱故障。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)由于負(fù)載波動(dòng)造成的定子發(fā)熱故障時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)檢查，清除纏繞物，故障即可排除。

（2）定子通風(fēng)系統(tǒng)不良。珠三角地區(qū)屬潮濕亞熱帶氣候，空氣濕度常年在90%以上，空氣中的灰塵容易堆積。當(dāng)定子通風(fēng)系統(tǒng)由于外部灰塵過(guò)厚而被堵塞時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就不能及時(shí)散去，造成定子溫度過(guò)高，從而大大降低了水泵機(jī)組工作效率。為增強(qiáng)同步電動(dòng)機(jī)的綜合散熱性能，應(yīng)按照水泵機(jī)組檢修維護(hù)制度，定期派專(zhuān)人對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一次解體除塵維護(hù)工作，必要時(shí)還可以在泵房中增裝通風(fēng)機(jī)，以加速?gòu)S房?jī)?nèi)空氣流通性能，降低水泵機(jī)組的外部環(huán)境溫度。

（3）勵(lì)磁電流過(guò)大。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的核心系統(tǒng)之一。當(dāng)水泵機(jī)組拖動(dòng)系統(tǒng)外部負(fù)載量恒定時(shí)，按照同步電動(dòng)機(jī)U形運(yùn)行曲線可知，同步電動(dòng)機(jī)定子電流會(huì)隨勵(lì)磁電流的增大而劇烈增加，定子繞組銅耗量劇烈增大，伴隨繞組溫度劇烈升高，從而形成發(fā)熱故障。因此，在10kV同步電動(dòng)機(jī)日常運(yùn)行中，應(yīng)該采取先進(jìn)的控制技術(shù)，保證同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流在規(guī)定允許范圍內(nèi)，保障同步電動(dòng)機(jī)處于最優(yōu)運(yùn)行工況。

1.2 集電環(huán)火花嚴(yán)重

珠三角地區(qū)的水利工程中，特別是順德的泵站工程，10kV同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式多數(shù)為直接啟動(dòng)，其啟動(dòng)電流通常是額定電流的6倍。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在正常啟動(dòng)時(shí)由于絕緣及空氣濕度等原因在集電環(huán)處產(chǎn)生火花，或在運(yùn)行中由于接觸不良等原因造成集電環(huán)與電刷間發(fā)生火花嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗或異常停機(jī)[2]。

1.2.1 啟動(dòng)時(shí)集電環(huán)火花嚴(yán)重。同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)兩集電環(huán)間絕緣套管上由于長(zhǎng)期運(yùn)行吸附大量碳粉以及遇到潮濕的天氣時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致兩集電環(huán)間的絕緣性能下降，加上同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)部轉(zhuǎn)子繞組會(huì)形成較高等級(jí)的感應(yīng)電壓，會(huì)將集電環(huán)上的碳粉間隔層擊穿，從而造成集電環(huán)發(fā)生短路。在強(qiáng)大的熱效應(yīng)和動(dòng)效應(yīng)的共同作用下，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電桿或支撐件發(fā)生變形損壞。因此，應(yīng)加強(qiáng)10kV水泵機(jī)組的日常維護(hù)力度，定期利用壓縮空氣對(duì)電機(jī)集電環(huán)進(jìn)行除塵工作，及時(shí)清掃集電環(huán)之間附著的碳粉，并利用相關(guān)儀器儀表測(cè)量?jī)杉姯h(huán)間的對(duì)地絕緣電阻值，如發(fā)現(xiàn)絕緣電阻低于規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)該立即對(duì)相關(guān)部件采取更換處理。

1.2.2 運(yùn)行中集電環(huán)火花嚴(yán)重。集電環(huán)與電刷間接觸壓力不足、接觸面接觸不良、設(shè)備型號(hào)不匹配等都會(huì)造成同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，集電環(huán)與電刷間發(fā)生嚴(yán)重的火花，從而降低水泵機(jī)組的運(yùn)行效率。在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整好集電環(huán)與電刷間的壓力并保證其接觸面受力均勻。選用與集電環(huán)相匹配的電刷設(shè)備，并防止不同型號(hào)電刷混用情況的發(fā)生。如長(zhǎng)期運(yùn)行集電環(huán)表面出現(xiàn)粗糙現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)采用砂紙沿集電環(huán)表面的圓弧方向進(jìn)行打磨，使集電環(huán)表面光滑平整，保證集電環(huán)與電刷間具有高效的運(yùn)行性能。

1.3 轉(zhuǎn)子繞組短路環(huán)火花嚴(yán)重

同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中其轉(zhuǎn)子阻尼繞組的短路環(huán)產(chǎn)生嚴(yán)重火花時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)水泵拖動(dòng)系統(tǒng)不能牽入同步，同步電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)。10kV同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，尤其是當(dāng)水泵機(jī)組在經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)后突然啟動(dòng)時(shí)，由于熱脹冷縮的原因?qū)?huì)造成短路環(huán)連接螺栓發(fā)生松動(dòng)、連接處出現(xiàn)開(kāi)焊（虛焊）等現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組將會(huì)感應(yīng)出強(qiáng)大的感應(yīng)電流，從而在短路環(huán)連接不良處發(fā)生打火現(xiàn)象。因此，在日常運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)在水泵機(jī)組投運(yùn)前，仔細(xì)檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組的短路環(huán)，觀測(cè)是否有松動(dòng)或開(kāi)焊（虛焊）情況發(fā)生。若有應(yīng)立即采取相應(yīng)緊固或重新焊接措施，保證同步電動(dòng)機(jī)高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

1.4 勵(lì)磁系統(tǒng)故障

由于受當(dāng)時(shí)建設(shè)技術(shù)水平和投資資金的制約，很多泵站所采用的老式勵(lì)磁裝置在電路設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等方面均不能滿足現(xiàn)代智能控制的需求，使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)間拉長(zhǎng)、啟動(dòng)困難，甚至無(wú)法啟動(dòng)情況的發(fā)生。在運(yùn)行中，也會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失步運(yùn)行工況時(shí)，其失步保護(hù)需要較長(zhǎng)的延時(shí)才能跳閘，各種沖擊使電動(dòng)機(jī)遭受巨大損傷，從而大大威脅到同步電動(dòng)機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。為了提高同步電動(dòng)機(jī)的綜合運(yùn)行效率，迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

2 改進(jìn)措施研究

為了提高水泵機(jī)組10kV高壓同步電動(dòng)機(jī)綜合運(yùn)行性能，除了上述的基本檢修維護(hù)措施外，可以采取DJL型同步電機(jī)可控硅勵(lì)磁裝置對(duì)傳統(tǒng)高壓同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提高同步電動(dòng)機(jī)綜合啟動(dòng)性能，保障整個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行和啟動(dòng)過(guò)程免受損害。DJL型同步電機(jī)可控硅勵(lì)磁裝置集中了數(shù)字式精密調(diào)節(jié)器及集成電路模擬式調(diào)節(jié)器各自?xún)?yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各功能電路間的相互緊密結(jié)合，將同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件精簡(jiǎn)到最少，并結(jié)合先進(jìn)的智能控制軟件功能，有效解決了傳統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)分立元件多、維護(hù)困難、實(shí)時(shí)響應(yīng)性和可靠性差、智能監(jiān)控水平低等不足。

結(jié)束語(yǔ)。建立完善的針對(duì)性的檢修維護(hù)制度，并對(duì)傳統(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，可以大大縮短10kV高壓同步電動(dòng)機(jī)故障檢修時(shí)間，及時(shí)消除電機(jī)故障，保障水泵高壓同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1]杜宗軒等.電氣設(shè)備運(yùn)行技術(shù)問(wèn)答[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]朱林海,謝利宗.泵站電動(dòng)機(jī)絕緣老化原因分析與鑒別[J].湖南水利水電,2004,(1):47-48.