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，

2、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

3、因 素。例 1 ：运行中，励磁电流比正常值低了。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 R+ ri, n 即是导致 If 降低的故障电阻。输出回路最容易产生 仃的 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=p L/S (式中R为电阻，L为导线长度，S为导电横截面 积，P

4、为导 电材料在20C时的电阻系数，碳在20C的值p= 10欧mm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rio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 二 R11+a (t2-t1 )(式中R1是低温t1时的 电阻，R2是高温t2时的电阻，a为导体材料 的电阻温度系数，碳在0? 100C范围内温度系数值a= 0.0005/ C)，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

5、 o(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=B v/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， B 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，B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 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

6、加电阻 ri o(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rfvO.5 Q,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锂转动情况下研 磨，然后用 00 号细砂涂上一层薄薄

7、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

8、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 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

9、励磁电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

10、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 能力及负载率有关。同步电机保持静态稳定的条件为：PnA Mm EU/Xd - sin S上式中： Pmn 为同步电机的极限稳定能力，其值大于电机负载

11、率时，才 能保持电 机的稳定同步运行。Mmb 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。S电机功角，稳定极限值 90，超出90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

12、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

13、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, 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

14、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

15、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4V 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

16、 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

17、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 根据负载性质选择相适应的一种，即

18、：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。如轧钢 机负载，自动”位 的调节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， 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，方式（上述三

19、种之一）选择方法为：按说明书关于人机对话界面操作 方法，通过界面操作将显示屏上的“”对准与负载相应的方式（如恒功率因数），双击” 0K键予以确认。若确认成功，状态指示灯中的“手动”灯火， “自动”灯亮。此时，励磁装置已经 按所确认的方式进行自动调节了。再把 ZA 从“手动”位打“自动”位。只要第一次选好了自动调节方式，微机会“记住”你的选择，以后再开 机把 ZA 打“自动”位即可。如果第一次电机启动后没有选择和确认自动调节方式，很可能微机内原 有方式不是所需要的恒功率因数，而是恒励磁电流（且设定值又很低） 。这种情况下，将已在“手 动”位启动并带正常负荷运行的励磁装置上的 ZA 打“自动”位，

20、励磁装置就会按恒励功率因素 C0 表指针偏向滞后，根据磁电流设定值调小励磁电流 If 。 If 减小的同时， 电机定子电流特性曲线Id = f （If）,或U形曲线可知，C0=1时，Id值最小，CO 指针偏离1越远，Id增大 越多。当COh向滞后而致Id增大到过流保护设定值，就会 跳闸停车如果第一次选择确认自动调节方式时，由于操作不当选错了，其结果仍 是打“自 动”跳闸停车。处理办法：根据负载性质选择自动调节方式，并按上述正确的人机界面 操作步骤予 以确认即可，进一步的细节详见说明书。本例提示： ZA 一打“自动”就跳闸，认为励磁装置有故障，但该故障不 是装置本 身固有的。而是操作使用人员暂时

21、不熟悉或疏忽造成的。例 6：有励磁电流，没有励磁电压。故障现象：电机启动、停机灭磁都正常，但运行过程中励磁装置只有励 磁电流 If 指示，没有励磁电压 Uf 指示。原因分析：从励磁装置原理图可知，励磁电流表指针所需信号从分流器 FL 两端获取，励磁电压表指示所需信号从启动回路的 KQ/ZQ 两端获取。由于有 If 指示，说明主 桥回路工作正常，有 Uf 输出。电机启动正常，说明启 动时，启动回路畅通。灭磁正 常，说明停机灭磁时启动回路附加电阻RF 能正常发挥灭磁功能。在此情况下，励磁电压表指示为零，有两种原因引起，一是励磁电压表坏了，二是 KQ/ZQ 中有一个坏了（短路）。如果 KQ/ZQ 坏

22、了，造成没有 Uf 指 示，自然 RF 也带电发热，手靠近 RF 就有明显热感。RF 有电流流过，则继电器 RFJ 就会动作而闭锁主桥触发脉冲，所以主桥 处于失 控运行状态，励磁输出电压 Ufs = 0.675U2I （U2I 为励磁变压器二次侧 电压），励磁电 流 Ifs = 0.675U2I/r （75C）? 0.7Ife （Ife 为额定励磁电流）。 设计时，一般取 RF= 5 ? 8 r f （75C），且RF/rf，故流经R的电流是 九的1/5? 1/8倍，当电机正常负载率不高 时，本例故障不影响电机运行。处理办法：停机断电后，仔细检查，确认并更换Uf 表， KQZQ 三者中的损坏件

23、。本例提示：虽然本例故障对电机运行影响不大，但仍要及时处理，因为 RF 长时间 带电发热可能引发新问题。例 7:励磁电压 Uf 与理论计算值相差悬殊 故障现象：励磁装置投运后，调节仪表板上的增磁、减磁，发现可调范围小，或者调节过程中跳变，励磁电压值奇高、奇低。原因分析：励磁装置主回路一般采用半控桥电路，它的同步信号和励磁变压器均按 /Y 11 接线，其输出电压满足关系式： Uf = 1.35U2I （cos a + 1） /2式中： U2I 励磁变压器二次侧线电压a-可控硅控制角Uf 主桥输出的直流电压，即加给电机转子绕组的励磁电压。U2I 为定值时，Uf就是a的单值函数，从显示屏读取a值就可

24、以算出相应 Uf。反之，读取Uf值就可以算出a,即a= COS 1一一 11.35U2I对于增磁减磁调节异常的情况，应读取一组数。供计算比较之用，比如有一台励磁：U2I = 93V, Ufe = 92V，调试时发现异常情况如下表所列：读数a1400750继续调小a值Uf75V100V同左不变化按1式计 算a1400750150Uf14.7V79V123.4V按2式计 算Uf75Va79 0通过上表比较及实践经验可知A .当读取的Uf值显著大于按（1 ）式计算值，即75V14.7V，说明依同步信号发出的触发脉冲控制角a比励磁变压提供的线电压U2I相位超前了，超前量从a读数与按（2）式计算的a值相

25、减140- 79? 60。根据 差值60就知道励磁变压接线不是 /Y -11，而错接为 /Y - 1。B. 同理，当读取的Uf值显著小于按（1 ）式计算值，则为触发脉冲滞后了，若a读取与（2 ）式计算值相差？ 60 那励磁变压器就错接Y 9。（未列 数据）C. 另一种情况是励磁变压器接线错为逆序，其表现为 a差值不为600，变化不定， a 1200 及 a 20 0的某一个值， Uf 跳变； 20 0a 120：可连续调节不跳 变。A? C 是比较常见的励磁变压器接线错误。除了上述方法判断外，也可用示波器观察典型波形来综合判断。只有判断清楚属于哪一种错线类型，才能 针对性采取纠正措 施。处理措

26、施：停机断电后，励磁变压器接线更正：对/Y - 1,原边A、C相互换，副边a、c相互换；对4 /Y -3,副边a、c相互换后，再b、c相互 换；对逆 序，在原边 A、B、C 三相中任选两根线对调。更改完接线后，再通电检查，直至励磁变压器接线为/Y - 11为止。本例提示：（1）虽然错在变压器接线，却表现为励磁输出异常，容易认 为是励磁装置本身有问题， 张冠李戴；（ 2）有时接线没有错，但上一级 A、B、C 相别不对，也会形成逆序，送电时应予检查。例 8 ：电机启动投励后，功率因素表指示异常。故障现象：励磁装置仪表盘上装功率因数 cos表，合高压断路器DL后cos表 指针滞后满偏，投励后指针应从滞后摆向超前，但有时发现投励后指 针严重滞后。原因分析：电