應(yīng)用新技術(shù)診斷大型同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障

特約撰稿人：西馬力工業(yè)集團(tuán) 史光

南陽(yáng)防爆集團(tuán) 歐華權(quán) 李巖峰

應(yīng)用新技術(shù)診斷大型同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障

特約撰稿人：西馬力工業(yè)集團(tuán) 史光

南陽(yáng)防爆集團(tuán) 歐華權(quán) 李巖峰

核心提示 本文對(duì)某石化企業(yè)高壓同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障檢測(cè)進(jìn)行了說(shuō)明和問(wèn)題分析，介紹其修理方案和檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)程。為今后進(jìn)行同類同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障檢測(cè)、故障修理的工作提供了很好的借鑒作用。

電機(jī)是工業(yè)廠礦最重要的主設(shè)備之一，其制造、修復(fù)質(zhì)量將影響到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生?，F(xiàn)對(duì)某進(jìn)口同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組情況進(jìn)行分析，并對(duì)其修理方案進(jìn)行介紹，以供參考。

同步電機(jī)與異步電機(jī)的區(qū)別

異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))的工作原理是通過(guò)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒(méi)有這個(gè)差值，即轉(zhuǎn)差率，就沒(méi)有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流)，也因此叫做異步電機(jī)：而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速，也因此叫做同步電機(jī)。

同步電機(jī)三相交流電通過(guò)一定結(jié)構(gòu)的繞組時(shí)，要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速完全一致，就是同步電機(jī);如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，也就是說(shuō)兩者不同步，就是異步電機(jī)。異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。同步電機(jī)要求轉(zhuǎn)子有固定的磁極(永磁或電磁)，如交流發(fā)電機(jī)和同步交流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速(定子轉(zhuǎn)速)小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，從而稱異步電機(jī)。它和感應(yīng)電機(jī)基本上是相同的。

同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)（即異步電機(jī)）一樣是一種常用的交流電機(jī)。同步電機(jī)是電力系統(tǒng)的心臟，它是一種集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化與機(jī)械運(yùn)動(dòng)于一體，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能變換的元件，其動(dòng)態(tài)性能十分復(fù)雜，而且其動(dòng)態(tài)性能又對(duì)全電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有極大影響。特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系，稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。

廠礦作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，大部分用異步機(jī)，發(fā)電機(jī)都是同步機(jī)。

同步電機(jī)特點(diǎn)

同步電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機(jī)以同步發(fā)電機(jī)為主，其特點(diǎn)除了電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速是固定的同步轉(zhuǎn)速外，對(duì)于電機(jī)結(jié)構(gòu)方面，轉(zhuǎn)子一般是繞組環(huán)繞成轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)磁極，

主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。

同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。

切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。

交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過(guò)引出線，即可提供交流電源。

交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)稱性。

某化工廠同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與定子輕微掃膛，轉(zhuǎn)子繞組損傷檢測(cè)

一般性同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組試驗(yàn)

一、測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。

二、測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻。

三、轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗(yàn)。

四、測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗（無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組，無(wú)測(cè)量條件時(shí)，可不測(cè)量）。

*測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1.轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值不宜低于0.5MΩ。

2.當(dāng)定子繞組絕緣電阻已符合啟動(dòng)要求，轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻值不低于2000Ω時(shí)，可允許投入運(yùn)行。

3.在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)超速試驗(yàn)前、后測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。

4.測(cè)量絕緣電阻時(shí)采用兆歐表的電壓等級(jí)：當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組額定電壓為200V以上，采用2500V兆歐表；200V及以下，采用1000V兆歐表。

5.試驗(yàn)周期：①小修時(shí)；②大修中轉(zhuǎn)子清掃前、后。

6.試驗(yàn)要求：絕緣電阻值在室溫時(shí)一般不小于0.5MΩ。

注：采用1000V兆歐表測(cè)量。

*測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1.應(yīng)在冷狀態(tài)下進(jìn)行，測(cè)量時(shí)繞組表面溫度與周圍空氣溫度之差應(yīng)在±3℃的范圍內(nèi)。測(cè)量數(shù)值與產(chǎn)品出廠數(shù)值換算至同溫度下的數(shù)值比較，其差值不應(yīng)超過(guò)2%。

2.顯極式轉(zhuǎn)子繞組，應(yīng)對(duì)各磁極繞組進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)誤差超過(guò)規(guī)定時(shí)，還應(yīng)對(duì)各磁極繞組間的連接點(diǎn)電阻進(jìn)行測(cè)量。

3.試驗(yàn)周期：大修時(shí)。

*轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗(yàn)，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1.整體到貨的顯極式轉(zhuǎn)子，試驗(yàn)電壓應(yīng)為額定電壓的7.5倍，且不應(yīng)低于1200V。

2.工地組裝的顯極式轉(zhuǎn)子，其單個(gè)磁極耐壓試驗(yàn)應(yīng)按制造廠規(guī)定進(jìn)行。

組裝后的交流耐壓試驗(yàn)，應(yīng)符合下列規(guī)定。

額定勵(lì)磁電壓為500V及以下電壓等級(jí)，為額定勵(lì)磁電壓10倍，并不應(yīng)低于1500V。

額定勵(lì)磁電壓為500V以上，為額定勵(lì)磁電壓的2倍加4000V。

3.試驗(yàn)周期：大修時(shí)。

4.試驗(yàn)要求：與初次(交接或大修)所測(cè)結(jié)果比較，其差別一般不超過(guò)2%。注：在冷態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。

5.顯極式轉(zhuǎn)子繞組還應(yīng)對(duì)各磁極線圈間的連接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

*轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗：轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗（無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組，無(wú)測(cè)量條件時(shí)，可不測(cè)量）：

1.試驗(yàn)周期：大修時(shí)。

2.試驗(yàn)要求：阻抗和功率損耗值自行規(guī)定。

在相同試驗(yàn)條件下與歷年數(shù)值比較，不應(yīng)有顯著變化。

繞組泄漏電流試驗(yàn)

*試驗(yàn)周期：1～3年或自行規(guī)定、必要時(shí)。

*試驗(yàn)要求試驗(yàn)電壓一般如下：

繞組額定電壓kV: 3 6～10 20～35 66～330 500直流試驗(yàn)電壓kV: 5 10 20 40 60

與前一次測(cè)試結(jié)果相比應(yīng)無(wú)明顯變化。注：讀取1min時(shí)的泄漏電流值。

局部放電測(cè)量

*試驗(yàn)周期：大修后(220kV及以上)；更換繞組后(220kV及以上、120MVA及以上)。

*試驗(yàn)要求：在線端電壓為時(shí)，放電量一般不大于500pC；在線端電壓為時(shí)，放電量一般不大于300pC。

傳統(tǒng)檢測(cè)工具的局限性

*直阻測(cè)量：沿用上世紀(jì)60、70年代的直阻測(cè)量，技術(shù)陳舊、手段單一。

*絕緣測(cè)試：搖表，雙橋，萬(wàn)用表，設(shè)備功能簡(jiǎn)單，故障分析有限。

*高壓試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)/泄漏電流/吸收比/極化指數(shù)，設(shè)備笨重，只能在試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)。

MCA靜態(tài)電路分析技術(shù)

*試驗(yàn)指標(biāo)：更多的停留在簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)絕緣好壞，只能模糊評(píng)價(jià)一個(gè)指標(biāo)。

設(shè)備好壞的狀態(tài)級(jí)別，哪方面的故障問(wèn)題？壽命趨勢(shì)分析，不能給出量化指標(biāo)。

1.電機(jī)的空載運(yùn)行測(cè)試，并不能給出電機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)評(píng)判。

2.電機(jī)整體耐壓試驗(yàn)，雖然能保證電機(jī)空載運(yùn)行，也不能解決局部繞組匝間短路的問(wèn)題。

3.電機(jī)繞組耐壓試驗(yàn)，具有一定的二次破壞性，加深早期故障的嚴(yán)重性。

4.電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組，隨著絕緣進(jìn)一步劣化，繞組的表面的污染指標(biāo)很難評(píng)估。

電機(jī)各項(xiàng)檢查數(shù)據(jù)繁多，檢修記錄數(shù)值簡(jiǎn)單，很難做到繞組早期故障判斷和壽命評(píng)估分析。電機(jī)檢測(cè)檢修過(guò)程，僅停留在對(duì)電機(jī)各繞組絕緣電阻數(shù)值檢測(cè)，難以發(fā)現(xiàn)早期故障隱患。電機(jī)繞組冷態(tài)直流電阻的測(cè)定，不能解決繞組匝間短路的問(wèn)題。用雙臂電橋測(cè)量相間電阻，還要換算25℃時(shí)阻值，并計(jì)算三相電阻不平衡小于±3%，筆錄記錄。工作任務(wù)繁瑣，臺(tái)賬記錄結(jié)果僅限于電子或紙質(zhì)臺(tái)賬。

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組測(cè)試位置和方法

繞組匝間短路問(wèn)題的核心技術(shù)——MCA靜態(tài)電路分析。

*全面代替：傳統(tǒng)檢測(cè)手段。

歐姆表/毫歐表；絕緣電阻計(jì)（DA/ PI）；高壓絕緣測(cè)試儀；LCR測(cè)試儀；浪涌測(cè)試儀。

*全面分析定、轉(zhuǎn)子繞組故障。

*測(cè)試方法：

將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接線打開(kāi)，墊好絕緣墊片。

*測(cè)試位置：

將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接線打開(kāi)后，測(cè)試每個(gè)轉(zhuǎn)子繞組極包繞組兩端。

*測(cè)試數(shù)據(jù)分析：

電機(jī)加裝絕緣墊片

測(cè)試?yán)@組兩端

將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子30個(gè)轉(zhuǎn)子繞組極包測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

*具體數(shù)據(jù)圖表：

1.測(cè)試數(shù)據(jù)柱狀圖。

2.測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖。

測(cè)試結(jié)論：該同步電機(jī)轉(zhuǎn)子，30個(gè)單獨(dú)繞組的參數(shù)：直阻、電感、電抗、相角度、I/F試驗(yàn)值等偏差均在1。5%內(nèi)，繞組沒(méi)有發(fā)現(xiàn)匝間短路現(xiàn)象，各項(xiàng)指標(biāo)正常，轉(zhuǎn)子繞組處于良好狀態(tài)。

轉(zhuǎn)子繞組極包測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)柱狀圖

測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組檢測(cè)時(shí)，除采取的傳統(tǒng)修理方案，增加有效的低壓繞組匝間檢測(cè)手段也是行之有效的，從而避免了定子繞組相間短路的嚴(yán)重后果和重大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)也讓我們認(rèn)識(shí)到了對(duì)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組全面檢查、低壓MCA試驗(yàn)分析的必要性，以及對(duì)正在制造尚未出廠的發(fā)電機(jī)加強(qiáng)監(jiān)造的重要性。