大型泵站同步电动机转子线圈开路原因分析

提要：某大型泵站运行中保护装置报励磁故障，机组跳闸，经检测是转子线圈开路故障，本文针对这次故障，试从大型泵站同步电动机的启动、电机生产、安装工艺、水泵的不利工况等方面分析故障的成因，并对避免该故障提出建议。

关键词：泵站;同步电动机;转子线圈;开路;原因分析

大型泵站多采用同步电动机作为动力源，拖动大型水泵工作。同步电动机具有转速恒定，它的转速与电源频率之间有着恒定的同步关系，即n=60f/p ，功率因数可调，效率高，运行稳定性高等特点，因此，在低扬程、大流量的轴流泵站应用广泛。其转子结构形式一般采用凸极式，励磁电源通过碳刷、集电环接入转子线圈。

原单位是洞庭湖区一座大型电力泵站，采用同步电动机、全调节轴流泵机组，主要功能为防洪排涝。同步电动机参数：功率2500KW，额定电压6.3kv ，功率因数超前0.8，转子励磁电压156 V，励磁电流210 A，额定转速200转/分。机组自2003年投入运行，通常汛期短时间连续运行，在经过16年防汛开机运行后，2019年汛期运行排涝中发生故障。6月27日早晨5点55分，值班人员听见4号机组电动机异响，立即奔赴电机层查看，发现励磁屏跳出通道故障和脉冲故障信号，当班人员随即发出停机指令。几乎同一时刻，微机控制保护系统采集到励磁故障信号，保护装置动作，跳闸停机。跳闸停机后，第一时间组织技术力量进行了故障排查。通过核实故障信号源、更换元器件、测量复核数据等一系列检查，排除了励磁系统故障。然后对同步电动机进行观察检测，通过测量转子直流电阻，兆欧表摇测绝缘，发现转子线圈电阻为无穷大，拆除机组检修盖板，观察发现一处故障点，在转子两个线圈绕组连接处有烧损的迹象，最后，确认故障原因为转子绕圈连接铜排烧断，形成电机转子线圈开路，引发“励磁故障”而导致跳闸停机。

笔者针对这次故障，试从大型泵站同步电动机的启动、电机生产、安装工艺、水泵的不利工况等方面进行分析。

大型泵站同步电动机的启动就是同步电动机自接入电网直至转子达到同步转速的过程。大部分同步电动机采用异步启动法。该泵站即采用全压异步启动法。异步启动法主要依靠在定子投入电网后磁极极靴上的启动绕组（阻尼绕组）中的感应电流与定子磁场间的产生的异步转矩来进行启动的。此时为避免励磁绕组开路感应的高电压将绝缘击穿，必须将励磁绕组分段开路或短接起来。在短接时，短接的励磁绕组中会流入较大的感应电流，这个电流与定子三相旋转磁场相互作用而产生的转矩，使得电动机的合成转矩在一半同步转速附近变小，出现最小转矩，即单轴力矩效应。所以，启动时励磁绕组中应串联一个电阻值约是5-10倍励磁绕组电阻值的啟动电阻器。以限制感应电流，提高最小转矩，且能提高牵入转矩。当转子的转速达到95%的同步转速时，给转子加上直流电流励磁，这时旋转磁场则把转子拉入同步。启动过程是异步电动机到同步电动机的转换，异步启动时，定子电流可达到额定值的6-7倍，所以，大型同步电动机不适应频繁启动。在防汛开机运行中，因为保护装置不稳定、开停机调度，曾相对频繁启动该台同步电动机，导致转子线圈不断流过大电流，加剧了线圈的绝缘老化损坏，同时由于在启动与过载运行过程中，在各种力的作用下，电机内部转子的短路环、焊接点慢慢发生松动，铜条与铁芯配合过松致使铜条在槽内发生振动，如不能及时散热的话，严重的会导绝缘致膨胀变形，引起转子振动加剧，进一步破坏绕组结构。

电机生产、安装工艺的影响。虽然在电动机设计时电气性能都能够达到并超过技术条件保证值，但是电动机制造出来后，由于受到材料性能、工艺波动的影响，电气性能时常低于保证值。实际运行中涡流损耗、转子铜损、机械损耗都会逐步变大，对转子产生不利影响。该同步电动机额定转速200转/分，有30个磁极，在这么多磁极中，只有一处相邻磁极的连接处发生了烧损断裂，查验其他磁极的连接处，未发现异常情况，可能和生产中连接铜排的折弯操作，焊接搪锡工艺不良、工人制造技术水平等有关，此处铜排存在折弯损伤，应力集中，接触不良，形成了整个转子线圈的最薄弱环节，在不利工况下，最先被破坏，最终烧损断裂。其次，在电机安装过程中，存在连接螺栓松紧问题，吊装过程中，转子外壁存在刮擦损伤，安装精度，如磁场中心、轴承间隙、安装水平度等不达标。使电机运行时处于不利状态，随着时间的推移，对电机转动部件的损伤越大，直至故障的发生。从制作工艺上就是要提高关键部件的质量，如提高铁芯的质量，使定、转子铁芯尺寸精度和几何精度符合图纸要求，提高零部件的机械加工质量，保证气隙均匀度和定、转子铁芯对齐，加强硅钢片的质量检验;生产过程中，技术工人安装工艺、技术水平对电机运行也产生很大的影响。

水泵的不利工况影响。该泵站采用的2500ZLQ22.5-9.27型轴流泵。根据垸内排涝能力确定启排水位为28.6米，根据泵站最小淹没深度等参数确定最低启排水位为28米，当时实际运行中，轴流泵中心线淹没深度仅1米多，扬程约5米，而泵的额定扬程是9.27米，脱离了设计运行工况，值班巡视人员反映水泵运行声音变大，汽蚀增大，振动变大。在不利工况下运行了29天。因水泵和同步电动机采用直连的方式连接，导致电动机也处在不利工况下，显示电流摆动、振动加大，容易造成转子线圈连接处金属疲劳、接触不良、电阻加大，最终断裂损坏。

同步电动机转子线圈开路的故障相对比较少见，一旦线圈开路处理起来比较麻烦，需要将电机拆开维修，轻则需要将连接处铜条进行剥线、打磨、焊接，并进行绝缘处理，重则需要更换部分磁极线圈，而且这种故障又很难发现，在电机正常运行的情况下，不好通过仪器检测发现。如何避免类似故障的发生呢？

1、保证机组安装、检修的质量。

大型泵站是水泵电机组合，水泵轴和电机轴总垂直上下长十几米，机组安装中轴线摆度、安装高程、磁场中心、轴瓦间隙、转子圆度、质量平衡等都对机组稳定运行产生重要影响，所以，在安装、检修中一定要控制好安装质量，保证必要的精度。安装完毕，要参考相关泵站规范，进行交接性试验，测试定、转子直流电阻、绝缘电阻，直流泄漏试验，甚至做工频交流耐压试验等。由于电机在出厂时，已经做过交流耐压试验，因该试验每次对绝缘都有一定的损伤，属于破坏性试验，如现场其他试验参数正常且无特殊要求，现场一般不再做交流耐压试验。除了保证质量，满足试验要求后，平时检修维护中，要加强启动绕组、磁极的观察，看是否有明显的变色、刮痕、虚焊等损伤，进行必要的线圈参数测量、试验，并与出厂值、往年试验值做对比趋势分析、判断。维护中，注意保证电机清洁，环境良好，散热通风顺畅，防止灰尘、冷却水、油渍和其他杂物，进入电动机内部。

2、加强运行期间值班巡视、防止事故扩大。

在自动化技术不断应用的今天，不能忽视人的作用。开机运行期间，一定要加强值班巡视，不能完全依靠自动化装置，象类似转子线圈开路的故障，自动化装置是无法提前发现的，当励磁故障报警跳闸时，故障已经发生，如不能及时发现，电动机继续运行，同步电动机将转入异步电动机方式运行，长时间将烧毁启动绕组乃至整个转子，造成更大事故。所以，运行值班人员要加强巡视，注意机组运行的声音、振动、气味等，并与观察电动机的电气运行参数的变化，做到发现及时、处置得当。

3、适时调节水泵的合理运行方案。

大型泵站应根据水泵的技术参数、特性曲线、内外河水位变化，适时调节制定合理的运行方案，尤其是针对全调节水泵，应根据水泵特性曲线，调节叶片角度，找到合适的工况点，使水泵运行在稳定区域，避免在不稳定区长期运行，从而减小机组的振动损害。

结束语：大型防洪泵站担负着重要的排渍任务，机组的稳定可靠运行关系到受益区老百姓的切身利益，作为泵站技术人员一定要做好设备的维修维护，及时处理设备隐患。运行值班人员要加强运行值班巡视，通过听声音、闻气味、看参数等基本技能判断设备运行状态，必要时候可通过红外测温仪、成像仪等仪器测量，及时发现、处置类似转子线圈开路等故障，避免造成更大的损失。

参考文献：

[1] 刘超 水泵运行工况点与调节[M].《水泵与水泵站》水利水电出版社 2009.9

[2]杨斌文，罗清.同步电动机定转子绕组故障的分析与处理[J].大电机技术，2007（04）：15-17.

[3]赵倩，马文博.同步电动机转子失磁故障的影响分析[J].防爆电机，2019，54（01）：33-35.

作者简介：李沅（1979-），男，湖南省益阳市城市防洪工程管理处 高级工程师、研究方向：机电与金属结构