同步電動機勵磁系統故障排查及處理

任志鵬

（寧夏回族自治區紅寺堡揚水管理處，寧夏中寧 755100）

1 前言

根據勵磁系統結構形式對同步電動機進行劃分，可分為旋轉磁極式與旋轉電樞式兩種，其中旋轉磁極式同步電動機又可根據磁極所在位置結果的不同分為兩種，即表面突出式轉子磁路結構與表面嵌入式轉子磁路結構。勵磁系統作為支撐同步電動機穩定運行的重要構件，一旦出現故障問題，將嚴重影響同步電動機輸出功率。因此，應當針對同步電動機勵磁系統不同故障進行及時排查與處理，確保同步電動機處于工作狀態時能夠實現穩定運轉。

2 WKLF-400系列同步電動機

2.1 靜態勵磁系統故障排查及處理

2.1.1 故障現象

新氫壓縮機的WKLF-400 系列同步電動機，編號107-K-101A 出現開關故障并發生跳閘，現場6KV開關柜綜合保護顯示操作面板顯示“超負荷反時限跳閘保護”字樣，動作電流的數額為580A。設定的額定電流參數為290A，保護閾值為348A。勵磁柜控制面板顯示“勵磁故障”燈亮，故障錄波表明同步電動機的定子電流已增加至580A，并在56s 延時狀態下完成跳閘，在跳閘前同步電動機的電流狀態呈現出具有周期性特點的波動波形。

2.1.2 故障排查與處理

勵磁系統故障排查結果如下：同步電動機與勵磁系統輸出線纜的電阻絕緣屬性符合標準；對6vK開關柜進行模擬實驗，即進行過電保護試驗，試驗獲取數據與故障錄波具有一致性；對勵磁系統的回路連接線進行檢查，發現勵磁系統中正極輸出一側的接線端子存在一定松動，同時細致檢查和加固勵磁系統的回路連接線；對勵磁系統進行總體運行調試、檢查均沒有發現異常情況，對勵磁機本身及與設備相連的接線和端子進行檢查并未出現問題。

采取排查法對同步電動機勵磁系統進行檢查，確定此次故障導致的同步電動機停機是由于勵磁柜內勵磁系統回路連接線出現松動而引起的，同步電動機在失磁之后，轉子未跟隨定子的磁場變化完成同步旋轉出現失步，電源開關啟動過電保護完成跳閘，且從結果來看過電保護應在失步保護之前完成。勵磁系統運轉異常引發的失步問題可能由以下幾種原因，包括勵磁繞組匝間發生短路問題、勵磁機或是旋轉勵磁部分存在問題、勵磁系統回路接線發生斷裂或是接線搭接存在不良。通過上述故障排查能夠將前兩個原因進行排除。

2.1.3 故障排查及處理中的注意事項

（1）檢查全部外部接線無異常后解開轉子連接線，這樣能夠確保外部交流電、直流電以及母線的PT信號處于完全切開斷聯的狀態，此時對同步電動機和勵磁系統的輸電線路實施絕緣電阻檢查才能保障安全。（2）進行電阻測量應主要檢查直流電源回路，包括220V和24V；交流電源回路，包括PT、CT以及電源；主線回路的電阻數值是否符合標準要求，在完成測試后需將勵磁系統復原至交流勵磁機并完成勵磁繞組全部線路連接[1]。（3）實施絕緣測試需合閉空氣開關，解除連接雙路勵磁系統的電源輸入線零線，解除顯示操作控制面板的接地端子連接線，進行短接并利用500V 搖表遙測設備完成直流電路回路和交流電路回路測試，包括勵磁發生變化的二次測，絕緣測試電阻應大于0.5。

2.2 旋轉勵磁系統故障排查及處理

2.2.1 故障現象

新氫壓縮機的WKLF-400 系列同步電動機，編號107-K-101B 出現開關跳閘情況，現場6kV 開關柜綜合保護顯示操作面板未顯示異常故障，靜態勵磁柜控制面板的“旋轉模塊故障”燈明顯點亮，監控中心后臺同步發出“新氫機組B 出現勵磁系統故障”的警報。

2.2.2 故障排查與處理

勵磁系統故障排查結果如下：檢查同步電動機內部定子的繞組絕緣性能，測得絕緣電阻數值為2500，對高壓配電柜的內部線路連接情況進行檢查沒有發現松動；對勵磁柜的內部元器件進行檢查如中間繼電器，未發現異常情況；對勵磁柜內部各條線路的連接情況進行緊固檢查沒有發現存在松動問題；對勵磁柜各項參數進行檢查，利用轉換開關實施試驗，最終得出數據與額定與標定參數保持一致，因而勵磁柜也無異常情況；現場打開交流電源勵磁柜的端蓋，對旋轉勵磁系統進行針對性檢查；對整流盤與主機轉子的絕緣性能進行檢查，測得絕緣電阻數值為10；對勵磁機連接線的端子進行緊固檢查，未發現本體存在異常情況。

采取排查法對同步電動機勵磁系統進行檢查，分析發出跳閘信號的信號源，包括空氣開關、靜態勵磁柜、快熔以及高壓配電柜。依次經過故障排查發現，快熔與空氣開關處于正常狀態，而靜態勵磁柜控制面板的“旋轉模塊故障”燈已亮，由此工程技術人員判斷跳閘信號是勵磁調節器發出。由于靜態勵磁系統配備了兩套各自獨立的控制單元用于調整通道，在進行手動切換時，A 控制單元與B 控制單元均未出現故障，因而可以考慮失步過度保護、旋轉快熔斷保護機制以及選裝模塊故障而引發的同步電動機跳閘。參照故障錄波顯示在同步電動機發生跳閘前電流波形處于正常流動狀態，未出現失步狀況；并且DCS 記錄顯示勵磁故障最后一次的報警時長大約在15s，與工程技術人員提前設定的旋轉模塊故障延時跳閘時間相一致。由此綜合判斷，確定是勵磁旋轉模塊發生故障[2]。

勵磁系統出現旋轉模塊故障，一般是由于靠近電機一側的旋轉整流系統存在短路或是缺相問題而導致的，致使旋轉電樞處于非平衡狀態運轉，進而影響同步電動機運轉效果。處理勵磁旋轉模塊故障主要是在現場針對啟動功能、整流模塊、主控模組、滅磁電阻等實施線路連接情況檢查和相關電氣參數檢測，由此快速確定造成旋轉模塊發生故障的源頭。工程技術人員針對上述部分依次進行檢查與測量，發現主控電源11#與13#端子之間的阻值明顯低于其他端子間阻值，且三相阻值之間存在失衡問題。因此，工程技術人員確認主控電源模組存在故障。隨后，工程技術人員對滅磁電阻進行檢查，解除各個滅磁電阻的連接線路，確保轉子與滅磁電阻各自獨立，再依次測量各個滅磁電阻與轉子的對地絕緣電阻數值，最終判斷7#滅磁電阻存在問題。最后，工程技術人員將全部滅磁電阻與主控模塊進行更換，待完成調試后開機試運轉，確保同步電動機處于正常狀態。

2.2.3 故障排查及處理中的注意事項

（1）如果顯示旋轉模塊故障，則旋轉勵磁系統一定存在問題。造成此類問題的原因一般是旋轉整流系統發生缺相或是短路問題，致使旋轉電樞在非平衡狀態下運行，并由此產生負序電流以及零序電流。對此，可利用諧波波形圖對旋轉模塊故障源頭進行識別。利用勵磁繞組電流對交流電源支持下的勵磁機電樞電壓波形變化、勵磁機旋轉勵磁系統運行頻率的基礎波形變化，測量特征諧波幅值，對缺相、短路或是缺少脈沖等問題進行初步識別。（2）針對勵磁系統旋轉模塊進行檢查的前后，工程技術人員需保證所拆解的和最終恢復的線路連接情況一致，各個端子處于緊固狀態。

3 AMS-800LF型同步電動機

3.1 勵磁系統介紹

該規格型號的同步電動機勵磁系統有四項主要功能，包括控制勵磁電流、控制啟動排序、保護同步電動機、使控制者與控制系統整體建立聯系。此同步電動機的控制模式有恒勵磁，即勵磁參數設置為恒定；恒電壓，即設定恒定電壓保證同步電動機和勵磁系統維持運轉；恒電壓+恒功率因數，即通過設置恒定電壓來調節功率因數變化，進而保證同步電動機和勵磁系統穩定運轉；恒無功+橫功率因數控制模式是該規格型號同步電動機最為常用的，此模式下的參量單位是KVAr，調節控制模式可通過操作面板完成。其中，控制無功需利用PID 調節器，實際的無功數據需以主開關位置所測的數據為準，通過無功變換器調整為輸入信號，再和PLC 控制器中的相關變量完成對比分析。在恒功率因數控制模式下，同步電動機的運行功率處于被控制的恒定狀態，功率因數可以通過控制面板完成設定，但不可直接進行測量，因而需要在PLC 控制器中將同步電動機的功率因數參量按照等效無功功率進行計算。

3.2 勵磁系統失步跳閘故障分析

此規格型號同步電動機勵磁系統出現失步跳閘故障的原因較為復雜，有外部原因導致的，也有內部原因引發的，且多數情況為內外因素共同導致的。其中，外部原因包括外部電力系統網絡波動變化而產生干擾影響，或是風門修正幅度過大而造成的系統運轉異常等；而內部原因包括供電系統無法穩定支撐勵磁系統正常運轉、勵磁系統本體存在低效勵磁問題、勵磁系統內部個別元器件出現問題、控制模式調整不當、勵磁系統內部定子或轉子發生移動等[3]。就本文所分析案例來說，工程技術人員通過對比分析各類原因，討論認為同步電動機勵磁系統出現失步跳閘故障是由于勵磁系統內部元器件發生損壞而引起的，因此故障處理方向得以明確。

3.3 勵磁系統失步跳閘故障處理

本案例針對勵磁系統內部元器件損壞而引發的失步跳閘故障采取以下措施進行處理：（1）更換電源。同步電動機勵磁系統內部元器件發生損壞多數由供電系統不穩定或電源輸入異常而造成，為保證此次失步跳閘故障處理徹底，工程技術人員將電源調整為不間斷電源，以此確保勵磁系統能夠長時間得到穩定可靠的電力能源支持。針對AMS-800LF型同步電動機各項參數進行對比分析，最終選用Hipulse U/120/S/6P 型不間斷電源實施更換處理，并利用型號ULK366SZ12-UF-BCB500/0500-03 的電池進行搭配，按照三進三出的方案開展安裝調試，并設定額定容量120kVA。除此之外，工程技術人員針對勵磁系統供電專用變壓器進行維護更換，同時檢查了勵磁系統的輸電線路，從而確保供電系統及輸電線路能夠為勵磁系統提供穩定可靠的電力支持。（2）更換勵磁系統內部元器件。通過排查勵磁系統內部元器件運轉狀態，并結合廠家售后回訪交流，工程技術人員確認出現損壞的元器件為勵磁控制器。由于勵磁控制器無法穩定運行，難以有效控制勵磁電流的大小變化，導致勵磁系統內部磁場運行出現異常，進而影響同步電動機整體運轉效果。工程技術人員將對勵磁控制器進行更換，并進行數次調試，確保更換后的勵磁控制器能夠在正常發揮調節控制作用，從而保證勵磁系統能夠穩定運轉。（3）修正低效勵磁保護。工程技術人員為能夠更好地識別判斷導致失步跳閘故障的原因，特意重新修正了低效勵磁保護程序，將之前的-15%修正為-25%，以此有效保護勵磁系統在低效勵磁狀態下的安全性。

4 結語

綜上所述，造成同步電動機勵磁系統出現故障的原因有許多，需要全面分析產生故障的可能性以及導致故障現象的源頭，才能準確找出造成故障的具體位置。工程技術人員應加強對勵磁系統的維護管理，定期進行緊固和試驗，全面掌握勵磁系統運轉狀態，同時加強巡檢的細致程度，制定巡檢標準和重點檢查內容，尤其需要關注連接線異常以及系統過載預警等情況，切實做到盡早發現問題、解決問題，以保證同步電動機運轉效果。