高港枢纽同步电机励磁失步成因分析与对策

李 频 樊锦川

（江苏省泰州引江河管理处，江苏泰州 225321）

0 引言

泰州引江河是我省为实施“海上苏东”战略而兴建的一座大型水利工程，它可将长江水送往里下河地区和东部沿海垦区，解决苏北水资源不足的问题，提高里下河地区的灌排标准，改善苏北地区的航运条件，并为苏北地区改善水质、沿海冲淤保港提供水源。泰州引江河高港枢纽由泵站、节制闸、调度闸、送水闸、船闸和110 kV专用变电所组成。泵站安装立式开敞式轴流泵9台套，叶轮直径3.0 m，配套电机2000 kW，单机抽水能力34 m3/s，总抽水能力300 m3/s。泵站机组选用的励磁装置为BKL-501SC型微机励磁装置，该装置工作可靠、稳定，并且具有失步保护及不减载自动再整步功能。但在实际应用中，失步的类型有多种，导致各类失步的原因也较多，如何应对各种失步有效发挥励磁装置的作用具有重要现实意义。笔者结合工程实际应用，就该装置的失步再整步功能谈几点认识。

1 失步类型

同步电动机在运行中发生失步主要存在以下几种类型：失励失步、带励失步和断电失步。

带励失步是指电机带有正常或接近正常的励磁电流的情况下，同步电动机失去同步。

失励失步是指同步电动机励磁绕组失去直流励磁或严重欠励磁，使同步电动机失去静态稳定，滑出同步。

断电失步是由于供电系统的自动重合闸ZCH装置、备用电源自动投入BZT装置动作或人工切换电源，使电动机暂时失去电源而导致的。因为断电失步在高港枢纽出现的几率很小，故励磁装置中没有配置断电失步保护，以下对断电失步不再讨论。

2 失步成因分析

失励失步的主要原因有4种，即：励磁绕组断线、励磁系统故障、电刷接触不良及弹簧失去压力。

带励失步的主要原因有3种：一是周围大负荷起动，相邻母线短路等原因引起母线电压大幅度波动；二是负载突增等原因造成电动机短时间欠励磁或失励磁（如插接件接触不良），引起失励失步，又过渡到带励失步；三是在起动过程中过早投励。

3 失步对同步电动机的危害

失步类型不同，产生的现象及对同步电机构成的危害也不同。

3.1 带励失步

励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流强烈脉振，脉振频率随电机滑差而变化，使电动机遭受强烈脉振，有时产生电气共振和机械共振。

当发生带励失步时，同步电机及励磁装置会产生下列现象：

（1）功率因数严重滞后，且大幅摆度；

（2）定子电流大幅波动，定子电流的平均值为2~3倍额定电流，波动幅度为1~2倍的额定电流；

（3）励磁电压表、励磁电流表有指示，但摆动幅度较大；

（4）电机声音有异常声响，并剧烈震动，严重时会将大轴扭曲。

带励失步对电机所造成的危害，主要是脉振转矩较长时间的反复作用，产生机械应力及可能引起的电气或机械共振所致。产生的危害有：一是定子绕组绑线崩断，导线变酥，线圈表面绝缘层被振伤，继而过热，烧焦、烧坏，甚至引起短路；二是转子励磁绕组接头处产生裂纹，出现过热、开焊、绝缘层烤焦，鼠笼条断裂，与端环连接部位开焊变形，电刷滑环松动，定子铁芯松动噪声大；三是电机轴和水泵轴等部位承受正负交变的扭矩且长时间反复作用，使大轴扭曲，严重时出现断轴事故。

需要着重指出，带励失步对电机所造成的损害往往是当场未被发现的暗伤，当这些暗伤逐步发展、扩大成为设备损坏事故时，又往往被认为是其他原因所引起的，甚至找不出事故原因，从而忽视造成事故的根源之一——带励失步。

3.2 失励失步

由于励磁绕组失去直流励磁，转子磁场消失，同步电磁转矩减小，当负载不变时，电机滑出同步运行状态，进入异步运行状态。

当发生失励失步时，同步电机及励磁装置会产生下列现象：

（1）功率因数严重滞后，指针向上摆；

（2）定子电流增大为1.2~1.8倍额定电流，且摆动不停；

（3）励磁电压表、励磁电流表指示为0。

失励失步对电机所造成的危害有：一是起动绕组（阻尼条）流过超出额定电流数倍至数十倍的电流，导致阻尼绕组因温度过高而变形、开焊、甚至波及定子绕组端部；二是在转子回路会产生高电压，造成励磁装置主回路元件损坏，引起灭磁电阻发热，严重时甚至造成整台励磁装置损坏。失励失步是一个缓慢滑出同步的过程，虽然比带励失步要缓和得多，但由于不易被及时发现，其所造成的后果仍是严重的。

4 高港枢纽励磁装置失步再整步机理

同步电动机的带载再整步机电暂态过程一般可划分为失步制动、异步驱动、再整步三个阶段。在判断出电机处于失步状态后，只要对电机进行快速灭磁，熄灭转子磁场，避免定子磁场和转子磁场之间的相互冲突，消灭失步危害，暂时将同步电动机运行于无励异步状态，待造成失步的扰动消除，在短时间内若电机的转速回升到一定值后重新投入励磁电压，可将电机牵入同步，实现自动再整步。若不能将电机拉入同步，则迅速关断电源，这不会对电机造成太大的损坏，且可以最大限度的保持电机连续运行。

高港枢纽采用的BKL-501SC型微机励磁装置失步再整步机理是：当同步电动机失步时，在其转子回路产生不衰减的交变电流分量，通过测取转子励磁回路分流器上的交变电流毫伏信号，经放大变换后输入控制中心，对其波形进行智能分析，准确、快速地判断电动机是否同步。高港枢纽励磁装置对控制中心的部分参数进行了设定，参数P18为“EPA延时”，是投励后投入保护的延时时间，设定为5 s；参数 P21为“失步计数值 T”，也称为“失步检测周期”，设定为1.5 s；参数P22为“失步判据1”，是失步时励磁电流应达到的最小波动幅值，设定为0.45；参数 P23 为“失步判据 2”，是失步时励磁电流应达到的最低值，设定为0.25。失步保护动作原理见图1、图2，失步再整步电气原理见图3。

图1 带励失步保护动作原理

图2 失励失步保护动作原理

图3 失步再整步电气原理图

当失步判据1、失步判据2成立后，失步计数值T每1.5 s计数1次，当计数3次后，保护动作，控制中心发出灭磁脉冲信号，启动灭磁回路，阻容灭磁回路工作，迅速关桥，此时，电机处于失步状态，励磁绕组中的感应电流经过KQ、ZQ、RF流通，情况与启动过程相似，电机异步启动，控制中心检测到1DL合闸后，重新检测电机转子回路的滑差值，确定投励的最佳时间，发出HJ闭合指令，励磁状态继电器2LZJ工作，向控制中心输入投励动作1LZJ的开关量信号，控制中心CPU板发出触发脉冲，励磁主回路工作，使电机再次牵入同步，再整步成功。

如果故障时间过长或电机特性过差，无法实现再整步，经延时后，失步保护装置会自动动作于跳闸，通过控制中心触摸屏可查询失步次数和失步后重新投励的时间。

5 实际运用

同步电动机失步保护和不减载自动再整步技术，使同步电机在因负载突增、电网电压剧降、励磁电源短时消失等原因导致电机带励、失励失步时，可在故障源消除后，通过自动带载再整步，使电机恢复同步运行。

当同步电动机在发生失步故障后，只有在短时间内消除故障，通过励磁装置中的失步再整步功能才能让电动机在不停机的状态下，恢复同步状态。这里需要注意的是有时间限制，高港枢纽的BKL-501SC型微机励磁装置，通过控制中心对部分参数进行设定，确保电机的失步再整步过程控制在8 s内，使失步电机带着正常负载平稳可靠的实现再整步，既保障了电机设备的安全，又保持电机的连续运行。

6 结语

同步电动机的失步故障绝大多数是由非电机自身故障的外界扰动所引起的，一般没有必要跳闸停机，可通过励磁装置的失步保护和不减载自动再整步技术，使电机实现自动再整步。但部分的失步故障还需要停机及时进行解决，才能有效保障机组安全运行。运行维护人员应在日常工作中，加强对同步电机和励磁装置的检查维护，及时处理问题；在设备运行中，加强巡查，及早发现故障，避免造成严重后果，保证工程的安全运行。