10kW廂式電站中發電機勵磁繞組的保護設計

劉文俊

（江蘇泰達機電設備有限責任公司，南京 210039）

0 引言

10kW廂式電站是頻率為50 Hz、額定轉速為3000r/min、額定電壓為230 V的單相10 kW工頻電站，電站出廠至今歷時6a，陸續接到用戶的反饋：有的機組啟動后，發電機組無電壓輸出。

1 故障原因分析

1.1 故障現象描述

對于故障電機，維修人員使用萬用表歐姆檔，檢測出發電機的勵磁線圈開路，勵磁線圈斷裂并發現勵磁線圈斷裂處位于綁扎帶的邊緣，在斷裂處有大量的銅綠。

1.2 故障定位

勵磁繞組斷裂的原因有如下4種可能：1）機組發電時，通過勵磁線圈的電流過大，該電流超過了勵磁線圈電流的允許數值，導致線圈熔斷斷裂。2）機組工作過程中，廂式電站內部溫度過高，導致發電機的絕緣性能下降，此時的電機絕緣強度就不能保證電機滿載時所通過的電流量，從而導致線圈熔斷斷裂。3）工作環境中濕度過大，導致勵磁線圈工作過程中受到腐蝕，發電機在長期運行過程中，勵磁線圈上面的絕緣保護膜甚至銅導線會逐漸銹蝕，會首先在整個勵磁線圈最薄弱的地方出現斷裂。4）機組運行過程中因為振動過大而引起發電機內部元器件的損壞，包括勵磁線圈的斷裂。

1.3 原因分析

1）對于第一種電流過大導致熔斷的原因，我們對斷裂處的線包進行了測絕緣電阻的試驗，證明整個線包的絕緣性是滿足要求的，絕緣性良好。另外，觀察勵磁線圈斷裂處，并沒有因為電流過大熔斷而燒焦發黑的痕跡。綜合以上兩點說明勵磁線圈的絕緣良好，不存在通過勵磁線圈的電流超過勵磁線圈的允許數值而導致線圈熔斷斷裂的問題。

2）對于第二種溫度過高致使電機絕緣性能下降，從而導致勵磁線圈熔斷的原因。我們依據10 kW廂式電站在運行時廂內溫度的測量數據：試驗時，環境溫度42℃，電機側的溫度為54℃。電機的絕緣等級是H級。H級絕緣的含義是：電機溫升性能允許數值為125℃，環境溫度為42℃，電機允許的溫度上限為167℃，而此時測得的廂內電機側的溫度為54℃，遠遠低于電機的溫度上限允許值167℃，因此，可以斷定由于廂內溫度過高致使電機絕緣性能下降，從而導致勵磁線圈熔斷的原因也不成立。

3）對于工作環境中濕度過大，導致勵磁線圈工作過程中受到腐蝕而斷裂的問題。根據用戶的反映，該電站的使用環境是沿海地區，空氣潮濕，從而導致勵磁線圈表面氧化腐蝕進而最終斷裂。但是，當我們檢查電機上面的其它繞組時，發現電機的其它繞組（其絕緣性和勵磁線圈的絕緣性均為H級）并沒有發生斷裂現象。另外，機組的控制屏電路部分也沒有發生任何的斷裂現象，說明機組的整個控制電路部分的元器件并沒有出現因為工作環境中濕度過大，導致導線（線圈）工作過程中受到腐蝕而斷裂的現象，至此，我們將發電機勵磁線圈由于環境濕度過大而導致腐蝕斷裂的可能性排除。

4）最后一種可能性就是，機組運行過程中因為受到的振動過大而引起發電機內部元器件的損壞，包括勵磁線圈的斷裂。在發電機組中，甚至連利用振動來精確評價機械應力也是不可能的事。經驗表明［1］，如果振動級別超過類似發電機組可接受的某一‘通常值’后，發電機組中的重要零部件將會因承受過高的振動應力而發生機械損壞。參照文獻［1］的附錄C中對轉速為3000 r/min，功率≤15 kV·A（單缸機），振動加速度有效值的通常值1為44 m/s2，通常值2為50 m/s2，根據實測廂式電站在機組下減振墊BE-60損壞和完好兩種不同的情況下，測得的電機側的振動加速度有效值均遠超過標準規定的振動加速度有效值的通常值，因此，可以初步判斷因為振動過大而導致發電機內部勵磁線圈的斷裂。另外，勵磁線圈的塑料扎帶并不在線包中間的護套上，而是由于振動的原因離開護套滑向線圈，在持續的振動過程中，扎帶在線圈上面反復摩擦，最終割破線圈上面的保護層。但是，銅導線是有一定強度的，僅僅依靠塑料扎帶的摩擦是不能夠將銅導線割破的，故此故障原因也應排除。

5）綜上所述，我們認為電機勵磁線圈的斷裂不可能是由上面任一單個原因所造成的，通過試驗和對勵磁線圈斷裂處的分析，可以得出電機勵磁線圈的斷裂是由諸多原因疊加而造成的結果。電站工作過程中振動過大，勵磁線圈在持續振動的影響下，其扎帶從線包中間的護套滑落至線包的保護層上面，扎帶不斷地摩擦保護層，最終割破表面保護層使線圈銅導線裸露出來。電站工作時，勵磁線圈上面經過大電流造成線圈高溫，因為電站處于沿海高濕度的環境中，這種情況下，裸露的銅導線通電時就會發生電氧化現象，此處就會成為整個勵磁線圈最薄弱的部分。此時，減振墊一旦出現損壞，其振動情況比完好的減振墊的振動情況更為惡劣，使勵磁線圈終于在線圈最薄弱的部分發生斷裂，從而導致發電機無電壓輸出。

2 改進設計措施

根據上面的原因分析，發現僅僅通過更換發電機的勵磁繞組的方法是不能徹底解決問題的，需要從10 kW廂式電站本身的振動、結構、電機防護等方面考慮來解決此問題。

要確保公路橋梁養護質量的提升，工程建設單位還應就養護隊伍的專業性進行規范建設。一方面，通過專業的養護培訓，確保在以“專”為核心的指導下，公路養護人員能夠實現工程潛在問題的有效發現，并能進行規范性的防治處理。另一方面，確保公路橋梁養護人員具有較高的職業素養，能夠積極、主動且負責的進行養護管理，從而避免養護過程責任心不強、養護怠工等現象的發生。

2.1 振動方面

2.1.1 故障現象

對機組的拆解，發現機組底部BE-60減振墊已經損壞。

2.1.2 振動的測量

1）國軍標振動方面的相關規定。電站工作時振動的單面振幅數值應不超過0.3 mm或者0.5 mm［2］。

601［3］方法：在機組 3 種工況空載、半載、滿載時測量振動值。

對機組按振動的三要素（S、v、a）進行測試，3種工況在3個方向上分別進行測試，測試點為發電機的后端部，分別計算出空載、半載、滿載情況下故障機組加速度的有效值，見表1。

表1 BE減振墊下振動測試結果m/s2

表2 EA減振墊下振動測試結果m/s2

3）機組在安裝EA-60的減振墊下的振動。

對機組按振動的三要素（S、v、a）進行測試，3種工況在3個方向上分別進行測試，測試點為發電機的后端部，分別計算出空載、半載、滿載情況下故障機組加速度的有效值，見表2。

2.1.3 抗振動的改進設計

發電機組的振動三要素（S、v、a）的有效值選取如表3，測點為發電機的后端部。

根據測試數據看出，表1中測量的加速度有效值均遠大于44 m/s2的安全值，而表2所測量的加速度有效值介于44～55 m/s2之間，從以上分析可以知道，安裝BE-60減振器的發電機組振動加速度超差，會直接導致發電機等部件損壞，而安裝EA-60減振器的發電機組振動加速度是處于最小值數值1和最大值數值2兩者組成的區間內。根據我公司與機組供貨商簽訂的產品結構性能篩選優化技術協議，可以確保發電機組的可靠運行。

因此，在解決機組振動問題方面，我們采用更換4個BE-60減振墊為4個EA-60減振墊的方式來減輕振動過大對機組的破壞。

表3 發電機組振動三要素（S、v、a）有效值要求

2.2 結構方面

我們將廂體進行改造，在不影響電站性能的前提下，增大進風口，面積從改進前的200 mm×295 mm到改進后的260 mm×500 mm，同時使排風途徑通暢，改善了廂體內溫升狀況，其作用是減少廂內外溫差，改進前廂內外溫差為10℃，改進后廂內外溫差為6℃，降低導致機組凝露的可能性，從而減少電解異體的總量。

2.3 電機防護方面

針對10 kW廂式電站用戶多使用在沿海高濕度的環境中，我們對10 kW廂式電站的發電機的勵磁線圈進行了進一步防護處理。從以下幾個方面著手：

1）在浸漆前繞線和綁扎時，避免擦傷繞組。

2）采用棉布軟扎帶替代塑料硬扎帶，綁扎時，注意檢查是否有擦傷和繞組凹坑；操作平臺增加防護，避免繞組跟平臺直接接觸。

3）對勵磁的浸漆工藝進行改善，采用VPI浸漆方式，提高繞組的滲透性，由原來的全綁扎然后浸漆，改為先浸漆一次，然后全綁扎，再浸漆；

4）提高勵磁繞組銅導線的質量等級和工藝考核要求，改用滲透性更好的5070環氧類樹脂漆替換現有的FT2015聚酯類樹脂漆。

3 結論

通過對10 kW廂式電站的振動進行分析，同時改善機組的通風狀態，對勵磁繞組本身進行加固處理，在振動、結構和電機自身防護等三方面對發電機進行設計改進，自內而外地對10 kW廂式電站中發電機勵磁繞組進行保護，從根本上杜絕了勵磁繞組再次斷裂的可能性，事實證明，對10 kW廂式電站的改進設計措施有效，切實可行，提高了電站的整體可靠性［4］。

［1］ 往復式內燃機驅動的交流發電機組第9部分機械振動的測量和評價：GB/T2820.9-2002［S］.

［2］ 軍用交流移動電站通用規范：GJB235A-1997［S］.

［3］ 軍用內燃機電站通用試驗方法：GJB1488-1992［S］.

［4］ 劉根成.50kW中頻發電機組的減振改進設計［J］.移動電源與車輛，2013（2）：1-3.