大型泵站同步電動機轉子線圈開路原因分析

提要：某大型泵站運行中保護裝置報勵磁故障，機組跳閘，經檢測是轉子線圈開路故障，本文針對這次故障，試從大型泵站同步電動機的啟動、電機生產、安裝工藝、水泵的不利工況等方面分析故障的成因，并對避免該故障提出建議。

關鍵詞：泵站;同步電動機;轉子線圈;開路;原因分析

大型泵站多采用同步電動機作為動力源，拖動大型水泵工作。同步電動機具有轉速恒定，它的轉速與電源頻率之間有著恒定的同步關系，即n=60f/p ，功率因數可調，效率高，運行穩定性高等特點，因此，在低揚程、大流量的軸流泵站應用廣泛。其轉子結構形式一般采用凸極式，勵磁電源通過碳刷、集電環接入轉子線圈。

原單位是洞庭湖區一座大型電力泵站，采用同步電動機、全調節軸流泵機組，主要功能為防洪排澇。同步電動機參數：功率2500KW，額定電壓6.3kv ，功率因數超前0.8，轉子勵磁電壓156 V，勵磁電流210 A，額定轉速200轉/分。機組自2003年投入運行，通常汛期短時間連續運行，在經過16年防汛開機運行后，2019年汛期運行排澇中發生故障。6月27日早晨5點55分，值班人員聽見4號機組電動機異響，立即奔赴電機層查看，發現勵磁屏跳出通道故障和脈沖故障信號，當班人員隨即發出停機指令。幾乎同一時刻，微機控制保護系統采集到勵磁故障信號，保護裝置動作，跳閘停機。跳閘停機后，第一時間組織技術力量進行了故障排查。通過核實故障信號源、更換元器件、測量復核數據等一系列檢查，排除了勵磁系統故障。然后對同步電動機進行觀察檢測，通過測量轉子直流電阻，兆歐表搖測絕緣，發現轉子線圈電阻為無窮大，拆除機組檢修蓋板，觀察發現一處故障點，在轉子兩個線圈繞組連接處有燒損的跡象，最后，確認故障原因為轉子繞圈連接銅排燒斷，形成電機轉子線圈開路，引發“勵磁故障”而導致跳閘停機。

筆者針對這次故障，試從大型泵站同步電動機的啟動、電機生產、安裝工藝、水泵的不利工況等方面進行分析。

大型泵站同步電動機的啟動就是同步電動機自接入電網直至轉子達到同步轉速的過程。大部分同步電動機采用異步啟動法。該泵站即采用全壓異步啟動法。異步啟動法主要依靠在定子投入電網后磁極極靴上的啟動繞組（阻尼繞組）中的感應電流與定子磁場間的產生的異步轉矩來進行啟動的。此時為避免勵磁繞組開路感應的高電壓將絕緣擊穿，必須將勵磁繞組分段開路或短接起來。在短接時，短接的勵磁繞組中會流入較大的感應電流，這個電流與定子三相旋轉磁場相互作用而產生的轉矩，使得電動機的合成轉矩在一半同步轉速附近變小，出現最小轉矩，即單軸力矩效應。所以，啟動時勵磁繞組中應串聯一個電阻值約是5-10倍勵磁繞組電阻值的啟動電阻器。以限制感應電流，提高最小轉矩，且能提高牽入轉矩。當轉子的轉速達到95%的同步轉速時，給轉子加上直流電流勵磁，這時旋轉磁場則把轉子拉入同步。啟動過程是異步電動機到同步電動機的轉換，異步啟動時，定子電流可達到額定值的6-7倍，所以，大型同步電動機不適應頻繁啟動。在防汛開機運行中，因為保護裝置不穩定、開停機調度，曾相對頻繁啟動該臺同步電動機，導致轉子線圈不斷流過大電流，加劇了線圈的絕緣老化損壞，同時由于在啟動與過載運行過程中，在各種力的作用下，電機內部轉子的短路環、焊接點慢慢發生松動，銅條與鐵芯配合過松致使銅條在槽內發生振動，如不能及時散熱的話，嚴重的會導絕緣致膨脹變形，引起轉子振動加劇，進一步破壞繞組結構。

電機生產、安裝工藝的影響。雖然在電動機設計時電氣性能都能夠達到并超過技術條件保證值，但是電動機制造出來后，由于受到材料性能、工藝波動的影響，電氣性能時常低于保證值。實際運行中渦流損耗、轉子銅損、機械損耗都會逐步變大，對轉子產生不利影響。該同步電動機額定轉速200轉/分，有30個磁極，在這么多磁極中，只有一處相鄰磁極的連接處發生了燒損斷裂，查驗其他磁極的連接處，未發現異常情況，可能和生產中連接銅排的折彎操作，焊接搪錫工藝不良、工人制造技術水平等有關，此處銅排存在折彎損傷，應力集中，接觸不良，形成了整個轉子線圈的最薄弱環節，在不利工況下，最先被破壞，最終燒損斷裂。其次，在電機安裝過程中，存在連接螺栓松緊問題，吊裝過程中，轉子外壁存在刮擦損傷，安裝精度，如磁場中心、軸承間隙、安裝水平度等不達標。使電機運行時處于不利狀態，隨著時間的推移，對電機轉動部件的損傷越大，直至故障的發生。從制作工藝上就是要提高關鍵部件的質量，如提高鐵芯的質量，使定、轉子鐵芯尺寸精度和幾何精度符合圖紙要求，提高零部件的機械加工質量，保證氣隙均勻度和定、轉子鐵芯對齊，加強硅鋼片的質量檢驗;生產過程中，技術工人安裝工藝、技術水平對電機運行也產生很大的影響。

水泵的不利工況影響。該泵站采用的2500ZLQ22.5-9.27型軸流泵。根據垸內排澇能力確定啟排水位為28.6米，根據泵站最小淹沒深度等參數確定最低啟排水位為28米，當時實際運行中，軸流泵中心線淹沒深度僅1米多，揚程約5米，而泵的額定揚程是9.27米，脫離了設計運行工況，值班巡視人員反映水泵運行聲音變大，汽蝕增大，振動變大。在不利工況下運行了29天。因水泵和同步電動機采用直連的方式連接，導致電動機也處在不利工況下，顯示電流擺動、振動加大，容易造成轉子線圈連接處金屬疲勞、接觸不良、電阻加大，最終斷裂損壞。

同步電動機轉子線圈開路的故障相對比較少見，一旦線圈開路處理起來比較麻煩，需要將電機拆開維修，輕則需要將連接處銅條進行剝線、打磨、焊接，并進行絕緣處理，重則需要更換部分磁極線圈，而且這種故障又很難發現，在電機正常運行的情況下，不好通過儀器檢測發現。如何避免類似故障的發生呢？

1、保證機組安裝、檢修的質量。

大型泵站是水泵電機組合，水泵軸和電機軸總垂直上下長十幾米，機組安裝中軸線擺度、安裝高程、磁場中心、軸瓦間隙、轉子圓度、質量平衡等都對機組穩定運行產生重要影響，所以，在安裝、檢修中一定要控制好安裝質量，保證必要的精度。安裝完畢，要參考相關泵站規范，進行交接性試驗，測試定、轉子直流電阻、絕緣電阻，直流泄漏試驗，甚至做工頻交流耐壓試驗等。由于電機在出廠時，已經做過交流耐壓試驗，因該試驗每次對絕緣都有一定的損傷，屬于破壞性試驗，如現場其他試驗參數正常且無特殊要求，現場一般不再做交流耐壓試驗。除了保證質量，滿足試驗要求后，平時檢修維護中，要加強啟動繞組、磁極的觀察，看是否有明顯的變色、刮痕、虛焊等損傷，進行必要的線圈參數測量、試驗，并與出廠值、往年試驗值做對比趨勢分析、判斷。維護中，注意保證電機清潔，環境良好，散熱通風順暢，防止灰塵、冷卻水、油漬和其他雜物，進入電動機內部。

2、加強運行期間值班巡視、防止事故擴大。

在自動化技術不斷應用的今天，不能忽視人的作用。開機運行期間，一定要加強值班巡視，不能完全依靠自動化裝置，象類似轉子線圈開路的故障，自動化裝置是無法提前發現的，當勵磁故障報警跳閘時，故障已經發生，如不能及時發現，電動機繼續運行，同步電動機將轉入異步電動機方式運行，長時間將燒毀啟動繞組乃至整個轉子，造成更大事故。所以，運行值班人員要加強巡視，注意機組運行的聲音、振動、氣味等，并與觀察電動機的電氣運行參數的變化，做到發現及時、處置得當。

3、適時調節水泵的合理運行方案。

大型泵站應根據水泵的技術參數、特性曲線、內外河水位變化，適時調節制定合理的運行方案，尤其是針對全調節水泵，應根據水泵特性曲線，調節葉片角度，找到合適的工況點，使水泵運行在穩定區域，避免在不穩定區長期運行，從而減小機組的振動損害。

結束語：大型防洪泵站擔負著重要的排漬任務，機組的穩定可靠運行關系到受益區老百姓的切身利益，作為泵站技術人員一定要做好設備的維修維護，及時處理設備隱患。運行值班人員要加強運行值班巡視，通過聽聲音、聞氣味、看參數等基本技能判斷設備運行狀態，必要時候可通過紅外測溫儀、成像儀等儀器測量，及時發現、處置類似轉子線圈開路等故障，避免造成更大的損失。

參考文獻：

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作者簡介：李沅（1979-），男，湖南省益陽市城市防洪工程管理處 高級工程師、研究方向：機電與金屬結構