10kW廂式電站中發(fā)電機勵磁繞組的保護設(shè)計

劉文俊

（江蘇泰達機電設(shè)備有限責(zé)任公司，南京 210039）

0 引言

10kW廂式電站是頻率為50 Hz、額定轉(zhuǎn)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(xù)接到用戶的反饋：有的機組啟動后，發(fā)電機組無電壓輸出。

1 故障原因分析

1.1 故障現(xiàn)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(fā)電機的勵磁線圈開路，勵磁線圈斷裂并發(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)值，導(dǎo)致線圈熔斷斷裂。2）機組工作過程中，廂式電站內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)致發(fā)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(dǎo)致線圈熔斷斷裂。3）工作環(huán)境中濕度過大，導(dǎo)致勵磁線圈工作過程中受到腐蝕，發(fā)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(dǎo)線會逐漸銹蝕，會首先在整個勵磁線圈最薄弱的地方出現(xiàn)斷裂。4）機組運行過程中因為振動過大而引起發(fā)電機內(nèi)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(dǎo)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(fā)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(shù)值而導(dǎo)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(dǎo)致勵磁線圈熔斷的原因。我們依據(jù)10 kW廂式電站在運行時廂內(nèi)溫度的測量數(shù)據(jù)：試驗時，環(huán)境溫度42℃，電機側(cè)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(shù)值為125℃，環(huán)境溫度為42℃，電機允許的溫度上限為167℃，而此時測得的廂內(nèi)電機側(cè)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(nèi)溫度過高致使電機絕緣性能下降，從而導(dǎo)致勵磁線圈熔斷的原因也不成立。

3）對于工作環(huán)境中濕度過大，導(dǎo)致勵磁線圈工作過程中受到腐蝕而斷裂的問題。根據(jù)用戶的反映，該電站的使用環(huán)境是沿海地區(qū)，空氣潮濕，從而導(dǎo)致勵磁線圈表面氧化腐蝕進而最終斷裂。但是，當(dāng)我們檢查電機上面的其它繞組時，發(fā)現(xiàn)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(fā)生斷裂現(xiàn)象。另外，機組的控制屏電路部分也沒有發(fā)生任何的斷裂現(xiàn)象，說明機組的整個控制電路部分的元器件并沒有出現(xiàn)因為工作環(huán)境中濕度過大，導(dǎo)致導(dǎo)線（線圈）工作過程中受到腐蝕而斷裂的現(xiàn)象，至此，我們將發(fā)電機勵磁線圈由于環(huán)境濕度過大而導(dǎo)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(fā)電機內(nèi)部元器件的損壞，包括勵磁線圈的斷裂。在發(fā)電機組中，甚至連利用振動來精確評價機械應(yīng)力也是不可能的事。經(jīng)驗表明［1］，如果振動級別超過類似發(fā)電機組可接受的某一‘通常值’后，發(fā)電機組中的重要零部件將會因承受過高的振動應(yīng)力而發(fā)生機械損壞。參照文獻［1］的附錄C中對轉(zhuǎn)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(jù)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(cè)的振動加速度有效值均遠超過標準規(guī)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(dǎo)致發(fā)電機內(nèi)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(xù)的振動過程中，扎帶在線圈上面反復(fù)摩擦，最終割破線圈上面的保護層。但是，銅導(dǎo)線是有一定強度的，僅僅依靠塑料扎帶的摩擦是不能夠?qū)~導(dǎo)線割破的，故此故障原因也應(yīng)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(jié)果。電站工作過程中振動過大，勵磁線圈在持續(xù)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(dǎo)線裸露出來。電站工作時，勵磁線圈上面經(jīng)過大電流造成線圈高溫，因為電站處于沿海高濕度的環(huán)境中，這種情況下，裸露的銅導(dǎo)線通電時就會發(fā)生電氧化現(xiàn)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(xiàn)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(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致發(fā)電機無電壓輸出。

2 改進設(shè)計措施

根據(jù)上面的原因分析，發(fā)現(xiàn)僅僅通過更換發(fā)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(jié)構(gòu)、電機防護等方面考慮來解決此問題。

要確保公路橋梁養(yǎng)護質(zhì)量的提升，工程建設(shè)單位還應(yīng)就養(yǎng)護隊伍的專業(yè)性進行規(guī)范建設(shè)。一方面，通過專業(yè)的養(yǎng)護培訓(xùn)，確保在以“專”為核心的指導(dǎo)下，公路養(yǎng)護人員能夠?qū)崿F(xiàn)工程潛在問題的有效發(fā)現(xiàn)，并能進行規(guī)范性的防治處理。另一方面，確保公路橋梁養(yǎng)護人員具有較高的職業(yè)素養(yǎng)，能夠積極、主動且負責(zé)的進行養(yǎng)護管理，從而避免養(yǎng)護過程責(zé)任心不強、養(yǎng)護怠工等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 振動方面

2.1.1 故障現(xiàn)象

對機組的拆解，發(fā)現(xiàn)機組底部BE-60減振墊已經(jīng)損壞。

2.1.2 振動的測量

1）國軍標振動方面的相關(guān)規(guī)定。電站工作時振動的單面振幅數(shù)值應(yīng)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(fā)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(jié)果m/s2

表2 EA減振墊下振動測試結(jié)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(fā)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(shè)計

發(fā)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(fā)電機的后端部。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)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(fā)電機組振動加速度超差，會直接導(dǎo)致發(fā)電機等部件損壞，而安裝EA-60減振器的發(fā)電機組振動加速度是處于最小值數(shù)值1和最大值數(shù)值2兩者組成的區(qū)間內(nèi)。根據(jù)我公司與機組供貨商簽訂的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能篩選優(yōu)化技術(shù)協(xié)議，可以確保發(fā)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(fā)電機組振動三要素（S、v、a）有效值要求

2.2 結(jié)構(gòu)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(fēng)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(fēng)途徑通暢，改善了廂體內(nèi)溫升狀況，其作用是減少廂內(nèi)外溫差，改進前廂內(nèi)外溫差為10℃，改進后廂內(nèi)外溫差為6℃，降低導(dǎo)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(huán)境中，我們對10 kW廂式電站的發(fā)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(dǎo)線的質(zhì)量等級和工藝考核要求，改用滲透性更好的5070環(huán)氧類樹脂漆替換現(xiàn)有的FT2015聚酯類樹脂漆。

3 結(jié)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(fēng)狀態(tài)，對勵磁繞組本身進行加固處理，在振動、結(jié)構(gòu)和電機自身防護等三方面對發(fā)電機進行設(shè)計改進，自內(nèi)而外地對10 kW廂式電站中發(fā)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(shè)計措施有效，切實可行，提高了電站的整體可靠性［4］。

［1］ 往復(fù)式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)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(guī)范：GJB235A-1997［S］.

［3］ 軍用內(nèi)燃機電站通用試驗方法：GJB1488-1992［S］.

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