第1个回答 2020-09-19
励磁装置使用中的故障分析及处理
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rf＋ri，ri即是导致If降低的故障电阻。输出回路最容易产生ri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＝ρL/S(式中R为电阻，L为导线长度，S为导电横截面积，ρ为导电材料在20℃时的电阻系数，碳在20℃的值ρ＝10欧mm2/米)，接触面S减小，输出回路电阻就会增加，比rf大一些，相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=R1[1+α(t2-t1)]（式中R1是低温t1时的电阻，R2是高温t2时的电阻，α为导体材料的电阻温度系数，碳在0～100℃范围内温度系数值α＝0.0005/℃），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＝Βv/d（式中E是电压V加在间距为d的间隙上形成的电场强度，β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，β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rf<0.5Ω，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锉转动情况下研磨，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：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：
Pm＝Mm·EU/Xd·sinδ
上式中：Pm－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。
Mm－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1.1～1.3左右为宜。
δ－电机功角，稳定极限值～900，超出900，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。
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，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4.8V～5V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“Δ”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”灯灭，“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COSΦ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，COSΦ＝1时，Id值最小，COSΦ指针偏离1越远，Id增大越多。当COSΦ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”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，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＝0.675U2l（U2l为励磁变压器二次侧电压），励磁电流Ifs＝0.675U2l/rf（75℃）≈0.7Ife（Ife为额定励磁电流）。设计时，一般取RF＝5～8 rf（75℃），且RF//rf，故流经Rf的电流是rf的1/5～1/8倍，当电机正常负载率不高时，本例故障不影响电机运行。
处理办法：停机断电后，仔细检查，确认并更换Uf表，KQ\ZQ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Δ/Y－11接线，其输出电压满足关系式：Uf＝1.35U2l（cosα＋1）/2
式中：U2l－励磁变压器二次侧线电压
α－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。U2l为定值时，Uf就是α的单值函数，从显示屏读取α值就可以算出相应Uf。反之，读取Uf值就可以算出α，即
α＝cos－1〔 －1〕
〔2〕
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：U2l＝93V，Ufe＝92V，调试时发现异常情况如下表所列：
读
数
α
1400
750
继续调小α值
Uf
75V
>100V
同左不变化
按〔1〕式
计
算
α
1400
750
150
Uf
14.7V
79V
123.4V
按〔2〕式
计
算
Uf
75V
α
790
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75V>>14.7V，说明依同步信号发出的触发脉冲控制角α比励磁变压提供的线电压U2l相位超前了，超前量从α读数与按（2）式计算的α值相减1400－790≈600。根据差值600就知道励磁变压接线不是Δ/Y－11，而错接为Δ/Y－1。
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α读取与（2）式计算值相差～600，那励磁变压器就错接为Δ/Y－9。（未列数据）
C．
另一种情况是励磁变压器接线错为逆序，其表现为α差值不为600，变化不定，α>1200及α<200的某一个值，Uf跳变；200<α<1200,可连续调节不跳变。
A～C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Δ/Y－1，原边
A、C相互换，副边a、c相互换；对Δ/Y－3，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Δ/Y－11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cosΦ表，合高压断路器DL后cosΦ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CT变换成～5A也引入励磁柜，两者直接送入cosΦ表端子。所以cosΦ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、cosΦ三者满足“U”型曲线变化关系。要cosΨ表指示正常，要重视两方面：
A．
送入cosΨ的CT、PT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。
电机启动后还应通过cosΦ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，cosΦ指针从超前方向移动；If减小时，cosΦ指针向滞后方向移动；cosΦ超前时，无功功率Q前为“－”，cosΦ滞后时，Q前为“＋”；当cosΦ为1时，Id值最小，当cosΦ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，cosΦ表指示异常。
处理办法：当cosΦ表指示异常，应检查CT、PT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，cosΦ表指示不对，经查是cosΦ表内部接反了，虽然这种情况比较少见，也应留意。