励磁装置在使用中的故障分析及处理办法改动

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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

2、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。故障现象：励磁装置正常

3、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w+ri,几即是导致If降低的故障电阻。输出回路最容易产生*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=pL/S（式中R为电阻，L为导线长度，S为导电横截面积，p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

4、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0100C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。（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=Bv/d（式中E是电压V加在间距为d的间隙上

5、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rfvO.5Q,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

6、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

7、：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

8、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

9、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

10、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：PnMmEU/Xd-sinS上式中：Pmn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。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1.11.3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。

11、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，

12、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

13、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

14、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4.8V5V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

15、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

16、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：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

17、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”OK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

18、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，励磁装置就会按恒励磁电流设定值调小励磁电流If。If减小的同时，功率因素C0表指针偏向滞后，根据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CO指向滞后而致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”

19、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

20、，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=58rf（75C）,且RF/rf，故流经R的电流是九的1/51/8倍，当电机正常负载率不高时，本例故

21、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。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/Y11接线，其输出电压满足关系式：Uf=1.35U2I(cosa+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

22、时，Uf就是a的单值函数，从显示屏读取a值就可以算出相应Uf。反之，读取Uf值就可以算出a，即a=COS12Uf121.35U2I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a14075继续调小a值Uf75V100V同左不变化按1式计算a14075.u15Uf14.7V79V123.4V按2式计算Uf75Va79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

23、）式计算的a值相减1407960。根据差值60就知道励磁变压接线不是/Y11，而错接为/Y1。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为/Y9。（未列数据）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60，变化不定，a120及a20的某一个值，Uf跳变；20a120,可连续调节不跳变。AC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。处理措施：停机断电后，励磁变压器接线更正：对/Y1,原边A、C相互换，副

24、边a、c相互换；对/Y3,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/Y11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：电机的电子电压、经PT线引入100V至励磁柜，定子电流经C

25、T变换成5A也引入励磁柜，两者直接送入cos表端子。所以cos表直观反映定子电流Id、定子电压Ue之间的相位关系。又由于定子、转子之间的磁场耦合，使励磁电流If与Id、cos三者满足“U型曲线变化关系。要cos表指示正常，要重视两方面：A. 送入cos的CTPT信号应满足下列三者之一（通常选（1）较多）:（1）CT为A相电流，PT为B、C相电压。（2）CT为B相电流，PT为C、A相电压。（3）CT为C相电流，PT为A、B相电压。B. CT、PT的接线端子位置应准确。如以（1）为例，A相有头端（亦称正极性端）和尾端两根线，不能接错位置；B、C相各有一根线引入励磁柜端子，也不能接错位。电机启动后还

26、应通过cos状态指示来判断上述引入信号及接线是否有错。正确的状态是：If增加时，cos指针从超前方向移动；If减小时，cos指针向滞后方向移动；cos超前时，无功功率Q前为“”cos滞后时，Q前为“+”；当cos为1时，Id值最小，当cos偏离1时向超前或滞后移动Id都增大。当接线错位就会出现投励后，cos表指示异常。处理办法：当cos表指示异常，应检查CTPT接线，找出接错点。最好停机后换线，因开机时，CT线不能开路，PT线不能短路。本例提示：有时也会发现接线完全正确的情况下，cos表指示不对，经查是cos表内部接反了，虽然这种情况比较少见，也应留意。至此，列述了共8项典型故障实例，它们基本属于“故障的根源在励磁柜外，故障的表现在励磁柜中”一类。对这类问题，若没有找准突破口，往往费时费力治不了“病”。所以，把已知的教训、经验或过程整理出来，望对从事励磁装置维护的人员有一些启示或借鉴之益。关于励磁柜本身原因出现的故障，随着近年产品升级换代已大幅降低。这类问题有随机图纸资料作为分析依据和厂家技术力量作依靠，相对说好解决些，故文中未列举。