励磁装置在使用中的故障分析及处理办法改动..

1励磁装置在使用中的故障分析及处理办法中国核工业电机运行技术开发公司邓友华随着改革开放与科学技术的不断发展，工业成套设备大都具备了智能化、微机化功能。应用广泛的励磁装置也同样不断升级换代，推出了保护完善，运行可靠性更高的各种微机励磁产品。新型励磁装置通过采用新技术、新工艺、新器件、新材料，不但强化了装置功能，还大幅降低了自身故障率。在以拖动负载为核心构成的设备系统中，励磁装置只是其中一环。经过长期励磁装置运行实践，我和同事们遇到不少关于励磁装置故障处理问题。不管多么先进的设备都不可能终身不出故障，但我们力图从不可避免中通过设备设计、制造者、设备使用维护者的共同努力，尽量降低故障发生的概率，追求从量变（减少故障）到质变（保障设备长周期安全运行）的飞跃。为了提高励磁装置的运行维护质量和效率，需要使用人员不断总结分析，把教训变成经验，将经验升华为理论，用理论指导今后的设备维护工作。为此，将积累的关于励磁装置的部分故障事例及处理办法拼撰一起，供有兴趣同行和读者参考或商榷。从下面的事例可以看出，励磁装置能否正常可靠运行，除本身质量外，与其相关联的供电系统（如电网容量与稳定性）、电机性能（如转矩特性）、现场环境（如导电粉尘、腐蚀性气体、高温高湿）、工艺管理（如负荷忽高忽低甚至堵转）等在一定条件下都会成为励磁装置难以正常运行的重要影响因素。例1：运行中，励磁电流比正常值低了。2故障现象：励磁装置正常运行过程中，励磁电流减小，励磁电压约有升高，电机运转正常，没有报警和其它异常。原因分析：根据欧姆定律I=U/R，励磁电压Uf基本恒定条件下，引起励磁电流If减小的原因是励磁输出回路电阻R增大了，由正常励磁绕组直流电阻rf变成了rf＋ri，ri即是导致If降低的故障电阻。输出回路最容易产生ri的地方是电刷与滑环之间的接触面，具体说有下列几种情况引起：（1）电刷弹簧松动、压力不足，或电刷磨损变形，减小了与滑环的有效接触面积，按R＝ρL/S(式中R为电阻，L为导线长度，S为导电横截面积，ρ为导电材料在20℃时的电阻系数，碳在20℃的值ρ＝10欧mm2/米)，接触面S减小，输出回路电阻就会增加，比rf大一些，相当于回路中出现了一个附加电阻ri。另一方面，S减小后，接触面电流密度增大，电刷温度升高，碳是正温度系数材料，按R2=R1[1+α(t2-t1)]（式中R1是低温t1时的电阻，R2是高温t2时的电阻，α为导体材料的电阻温度系数，碳在0～100℃范围内温度系数值α＝0.0005/℃），电刷温度升高也会使ri有所增加。（2）电刷与滑环接触面上粘上了润滑油或油与尘土混合成的油垢，在接触面上形成有碍导电的油污层，相当于导电回路串入了一个接触电阻ri。（3）电刷与滑环接触面间打火。滑环由于磨损，外圆不圆，表面粗糙，或者电刷跳动等原因，使电刷与滑环接触面有间隙，根据E＝Βv/d（式中E是电压V加在间距为d的间隙上形成的电场强度，β是微小尖端产生的场增强因子，当尖端高度与尖端底之比为8时，β达到100），当间隙中某一点E较强，尤其存在微尖端情况下，就会因空气电离而产生火花。严重时火花强度达到2级、3级，甚至发展为弧光。弧光电流密度大，达470A/cm2，温度高，容易把转动中的滑环烧伤成糙面，糙面上新形成的微尖端又会产生3新的火花点，将火花蔓延成片。火花、弧光虽然能导电，但存在阻抗，即在励磁输出回路中串入一个附加电阻ri。（4）励磁输出电缆连接处氧化层产生接触电阻。绝大多数同步电机励磁绕组的直流电阻rf0.5Ω，因上述原因产生的附加电阻ri与rf在励磁输出回路中是串联的，因此励磁电流If减小。处理办法：在励磁输出回路中找准故障点，若是油污、氧化层引起的，仔细清除。若电刷弹簧松动应重装，因磨损、电刷与滑环接触面小于70％或者更换新电刷后，需要用00号细砂纸研磨电刷，使它能与滑环有良好的吻合。若是滑环有磨损、烧伤、表面粗糙，外圆不圆，对于凸凹程度比较严重（低于平面1mm以上），应先车削比较轻微的损伤可用油石或板锉转动情况下研磨，然后用00号细砂涂上一层薄薄的凡士林油进一步抛光，使滑环表面呈现金属光泽，光洁度达3.2？级以上。本例提示：是故障点在电刷与滑环部位，而故障表现为励磁电流指示减少几十安培，让人误以为是励磁装置有问题，在励磁柜上找原因，而忽视了故障的本来出处。例2：电机启动时不投励跳闸故障现象：电机为280KW的TK280－14/1180型同步电动机，负载为空气压缩机，全压空载启动。合高压开关DL后，经过几秒钟，励磁装置不投励，且高压跳闸。原因分析：励磁装置设计了滑差、计时两种投励方式。由于电机小，采用全压空载启动，高压合闸后转子转速升至亚同步时前，电机本身凸极效应拉入同步运行，不像大电机那样靠投励来拉入同步。进入同步前，检测转子感应信号的滑差均小于设定值，靠凸极效应进入同步后，转子感应信号消失4了，所以滑差投励方式不具备条件。只有靠计时投励方式来投励了。计时投励时间设为4秒，完全能满足计时投励要求，实际却没按此投励。经查，电机综合保护系统中有一个限时环节，时间为4秒，它的作用是从合闸起计时，经4秒仍未投励就跳闸，若在4秒内投励了就不跳闸。这个保护时限值与励磁装置的计时投励时间4秒相同，使投励、跳闸同时动作。时间相同会造成动作配合问题，若投励快于跳闸，因励磁装置设有投励后遇跳闸就灭磁环节，刚投励就灭磁，加上表计指针机械惯性，还没看出励磁电压Uf、电流If指针动作，Uf、If就因灭磁变为零了。若跳闸快于投励，高压开关的辅助接点送入励磁指针，依该接点反映的状态励磁柜就不会投励了，这样自然没有Uf、If指示了。处理办法：电机启动前，弄清楚是否有高压保护时限，若有，应协商调整，让高压综保时限适当大于励磁装置计时投励设定值，大于1秒以上即可。本例提示：（1）现不少厂家没有不投励跳闸时限，容易忘记或忽视两者之间的配合；本例中的不投励是高压跳闸造成的，但人们容易把注意力放在励磁的Uf、If没有指示上，认为是励磁柜本身质量造成的不投励，并因该不投励引起跳闸。例3：电机启动时，引起同母线上运行的另一台同步电动机跳闸。故障现象：两台相同的3500KW同步电动机接在同一段6KV母线上，该两台电机不能同时运行，因其中一台启动时已投运的另一台就会跳闸。但该母线上的其它电机不受启动影响仍正常运行，唯独这两台不正常。原因分析：经分析认为，在电机启动时，由于6KV母线电压下降导致运行中的3500KW同步电动机脱出静态稳定造成失步所致。为什么同母线上其它同步电动机仍能维持同步，唯独该台电机会失步呢？这是与电机静态稳定的5能力及负载率有关。同步电机保持静态稳定的条件为：Pm＝Mm·EU/Xd·sinδ上式中：Pm－为同步电机的极限稳定能力，其值大于电机负载率时，才能保持电机的稳定同步运行。Mm－电机的最大同步力矩倍数，其值≥1.8为佳。E－励磁电流感应至定子的电势，其值与励磁电流成正比。U－电机定子侧电压。Xd－电机同步电抗，标幺值以1.1～1.3左右为宜。δ－电机功角，稳定极限值～900，超出900，电机将脱出稳定而失步。经查，这两台3500KW电机的Xd＝1.57，Xd值较大，故电机稳定能力差。且电机负载重，励磁柜电源亦由同一段母线供电，故当电机启动母线电压下降时，U、E都同时下降，因而造成失步跳闸。处理办法：按上分析，可将励磁电源改接至另段母线上，这样在电机启动时，仅U下降，E不会下降，使Pm仍大于负载功率，保持电机同步。按此改后再没有发生过启动跳闸事故，本方案的缺点是：如供励磁电源的母线故障，会引起停机，增加故障率。对此，可采用双电源供电自切方案，以提高可靠性，即励磁380V侧的主电源由另段母线供电，同段母线的380V电源作为备用电源，当主电源失电时自动切换至备用电源，切换时间约为80ms，不会影响励磁及电机的正常工作，在主电源恢复正常后，备用电源又自动切换至主电源。现国内双电源自动切换开关已有成熟产品，需要时可采用。如客观条件限制，实施本方案有困难时，可采用另一措施，不过效果差一些，即电机失步前，将运行电机的励磁电流调升到额定励磁电流的1.2倍，6过励报警值调至大于1.2倍。电机启动母线电压下降时，只U下降，E从1.2倍处下降后仍能保持较高值，对防止电机失步跳闸也有较好效果。启动结束后，即刻恢复改过的参数，两相比较，以前述方案优先。本例提示：（1）不同厂家生产的电动机，保持静态稳定能力差别较大，同等条件下，质量好的不易失步跳闸，我们采取措施只是利用启动励磁输出的稳定来弥补电机固有缺陷（Xd较大）造成的稳定能力差，但不能改变Xd值。（2）励磁装置具有失步再整步功能，因电机稳定能力差，转子丢转明显超过再整步临界滑差，致使再整步失败，为终止失步运行，保护电机安全，励磁装置发出跳闸信号。现场运行人员往往一看跳闸信号是由励磁柜发出的，且有故障声光报警，就误认为问题在励磁柜上，励磁柜质量差，一启机就跳闸，而忽视了电机设计制造上留下的隐患。例4：投运一段时间后，人机界面无响应。故障现象：励磁装置设有良好的人机界面，也有状态指示灯，投运一年多来很正常，稍后一段时间，发现状态指示灯异常，操作人机界面无响应，也没有报警信息，设备仍正常运行。原因分析：现代励磁装置基本采用微机控制，自动化、智能化方面，适应了现代工业控制的发展趋势。同时，微机又是弱信号低电压（如±12V、±5V等）条件下工作的设备，要求电源稳定性好。在本例中，就是＋5V逐渐降至＋4.75V致微机内依靠＋5V工作的集成器件不能完全正常发挥功能，表现为人机对话窗口操作无响应，或状态灯指示错误。经查，是插拔式开关电源PWR2插头上＋5V输出口敷铜箔表面氧化了，该氧化层构成＋5V输出插头与插槽簧片之间的接触电阻，输出电流会在接触电阻上产压降，阻值越大电压降落越多，这样集成器件实际得到的电压，为＋5V扣除接触压降后的74V多了。在4.8V～5V之间器件能正常工作，当低于4.75V及以下就不正常了。插拔式电源有使用方便，接触可靠的优点，但插头上的敷铜箔导电截面小，故电流密度大，铜箔温度高于环境温度，加速了铜箔氧化速度。如湿度大，有腐蚀气体也促使形成氧化层。处理办法：可使用下列方法之一：（1）停机时将PWR2拔出来，用00号砂纸去除插头敷铜箔及插槽簧片表面上的氧化层，呈光亮金属表面，再用823固体润滑防护剂（喷罐式）摇匀对准揩亮的金属表面喷涂一遍，形成防护膜。这种膜的特点是压接处是导电的，未压接处是绝缘的，且附着力强，耐候性好，润滑、防氧化作用显著。经此处理，PWR2推入插槽后，人机界面及状态灯完全正常了。（2）最好励磁装置投运前，喷涂823固体防护剂，或者由励磁柜生产单位出厂前喷涂，防于未然，更有意义。本例提示：出现人机界面故障时，先检测微机工作电源：＋5V、＋12V、+24V等。对于本例故障，大多认为是微机部分存在硬件或程序故障而忽略电源，即使检测到电压偏低，也认为是电源内部故障引起，谁知氧化层才是故障元凶。例5：励磁装置的“调节方式”钮ZA在“手动”位运行正常，一打“自动”位电机就跳闸。故障现象：启动同步电动机，一般先将励磁装置的调节装置钮ZA打“手动”位，再电机启动、投励、带载运行。在此情况下，把ZA打“自动”位，电机马上就跳闸停车。原因分析：ZA在“自动”位时，励磁装置有三种方式供选择，使用者8根据负载性质选择相适应的一种，即：A.恒功率因素：这种方式对绝大多数负载都适用，比如气体压缩机、风机、水泵、球磨机等。恒功率因素设定值一般按电机铭牌确定为超前0.9，当电机负载变化时，励磁装置自动调节励磁输出，使电机的功率因数保持在设定值。B.恒励磁电流：当励磁绕组阻值改变（阻值与温度有关）或～380V电源电压改变时，励磁装置将自动调节励磁电压，使输出的励磁电流保持恒定。恒励磁电流设定值一般确定为正常负载率时的励磁电流值。C．恒无功功率：这种方式仅用于补偿有功功率快速变化的负载，如轧钢机负载，一般负载不宜使用。对于新励磁装置，第一次ZA打“手动”位启动投励正常后，“自动”位的调节方式（上述三种之一）选择方法为：按说明书关于人机对话界面操作方