同步电动机励磁系统故障排查及处理

任志鹏

（宁夏回族自治区红寺堡扬水管理处，宁夏中宁 755100）

1 前言

根据励磁系统结构形式对同步电动机进行划分，可分为旋转磁极式与旋转电枢式两种，其中旋转磁极式同步电动机又可根据磁极所在位置结果的不同分为两种，即表面突出式转子磁路结构与表面嵌入式转子磁路结构。励磁系统作为支撑同步电动机稳定运行的重要构件，一旦出现故障问题，将严重影响同步电动机输出功率。因此，应当针对同步电动机励磁系统不同故障进行及时排查与处理，确保同步电动机处于工作状态时能够实现稳定运转。

2 WKLF-400系列同步电动机

2.1 静态励磁系统故障排查及处理

2.1.1 故障现象

新氢压缩机的WKLF-400 系列同步电动机，编号107-K-101A 出现开关故障并发生跳闸，现场6KV开关柜综合保护显示操作面板显示“超负荷反时限跳闸保护”字样，动作电流的数额为580A。设定的额定电流参数为290A，保护阈值为348A。励磁柜控制面板显示“励磁故障”灯亮，故障录波表明同步电动机的定子电流已增加至580A，并在56s 延时状态下完成跳闸，在跳闸前同步电动机的电流状态呈现出具有周期性特点的波动波形。

2.1.2 故障排查与处理

励磁系统故障排查结果如下：同步电动机与励磁系统输出线缆的电阻绝缘属性符合标准；对6vK开关柜进行模拟实验，即进行过电保护试验，试验获取数据与故障录波具有一致性；对励磁系统的回路连接线进行检查，发现励磁系统中正极输出一侧的接线端子存在一定松动，同时细致检查和加固励磁系统的回路连接线；对励磁系统进行总体运行调试、检查均没有发现异常情况，对励磁机本身及与设备相连的接线和端子进行检查并未出现问题。

采取排查法对同步电动机励磁系统进行检查，确定此次故障导致的同步电动机停机是由于励磁柜内励磁系统回路连接线出现松动而引起的，同步电动机在失磁之后，转子未跟随定子的磁场变化完成同步旋转出现失步，电源开关启动过电保护完成跳闸，且从结果来看过电保护应在失步保护之前完成。励磁系统运转异常引发的失步问题可能由以下几种原因，包括励磁绕组匝间发生短路问题、励磁机或是旋转励磁部分存在问题、励磁系统回路接线发生断裂或是接线搭接存在不良。通过上述故障排查能够将前两个原因进行排除。

2.1.3 故障排查及处理中的注意事项

（1）检查全部外部接线无异常后解开转子连接线，这样能够确保外部交流电、直流电以及母线的PT信号处于完全切开断联的状态，此时对同步电动机和励磁系统的输电线路实施绝缘电阻检查才能保障安全。（2）进行电阻测量应主要检查直流电源回路，包括220V和24V；交流电源回路，包括PT、CT以及电源；主线回路的电阻数值是否符合标准要求，在完成测试后需将励磁系统复原至交流励磁机并完成励磁绕组全部线路连接[1]。（3）实施绝缘测试需合闭空气开关，解除连接双路励磁系统的电源输入线零线，解除显示操作控制面板的接地端子连接线，进行短接并利用500V 摇表遥测设备完成直流电路回路和交流电路回路测试，包括励磁发生变化的二次测，绝缘测试电阻应大于0.5。

2.2 旋转励磁系统故障排查及处理

2.2.1 故障现象

新氢压缩机的WKLF-400 系列同步电动机，编号107-K-101B 出现开关跳闸情况，现场6kV 开关柜综合保护显示操作面板未显示异常故障，静态励磁柜控制面板的“旋转模块故障”灯明显点亮，监控中心后台同步发出“新氢机组B 出现励磁系统故障”的警报。

2.2.2 故障排查与处理

励磁系统故障排查结果如下：检查同步电动机内部定子的绕组绝缘性能，测得绝缘电阻数值为2500，对高压配电柜的内部线路连接情况进行检查没有发现松动；对励磁柜的内部元器件进行检查如中间继电器，未发现异常情况；对励磁柜内部各条线路的连接情况进行紧固检查没有发现存在松动问题；对励磁柜各项参数进行检查，利用转换开关实施试验，最终得出数据与额定与标定参数保持一致，因而励磁柜也无异常情况；现场打开交流电源励磁柜的端盖，对旋转励磁系统进行针对性检查；对整流盘与主机转子的绝缘性能进行检查，测得绝缘电阻数值为10；对励磁机连接线的端子进行紧固检查，未发现本体存在异常情况。

采取排查法对同步电动机励磁系统进行检查，分析发出跳闸信号的信号源，包括空气开关、静态励磁柜、快熔以及高压配电柜。依次经过故障排查发现，快熔与空气开关处于正常状态，而静态励磁柜控制面板的“旋转模块故障”灯已亮，由此工程技术人员判断跳闸信号是励磁调节器发出。由于静态励磁系统配备了两套各自独立的控制单元用于调整通道，在进行手动切换时，A 控制单元与B 控制单元均未出现故障，因而可以考虑失步过度保护、旋转快熔断保护机制以及选装模块故障而引发的同步电动机跳闸。参照故障录波显示在同步电动机发生跳闸前电流波形处于正常流动状态，未出现失步状况；并且DCS 记录显示励磁故障最后一次的报警时长大约在15s，与工程技术人员提前设定的旋转模块故障延时跳闸时间相一致。由此综合判断，确定是励磁旋转模块发生故障[2]。

励磁系统出现旋转模块故障，一般是由于靠近电机一侧的旋转整流系统存在短路或是缺相问题而导致的，致使旋转电枢处于非平衡状态运转，进而影响同步电动机运转效果。处理励磁旋转模块故障主要是在现场针对启动功能、整流模块、主控模组、灭磁电阻等实施线路连接情况检查和相关电气参数检测，由此快速确定造成旋转模块发生故障的源头。工程技术人员针对上述部分依次进行检查与测量，发现主控电源11#与13#端子之间的阻值明显低于其他端子间阻值，且三相阻值之间存在失衡问题。因此，工程技术人员确认主控电源模组存在故障。随后，工程技术人员对灭磁电阻进行检查，解除各个灭磁电阻的连接线路，确保转子与灭磁电阻各自独立，再依次测量各个灭磁电阻与转子的对地绝缘电阻数值，最终判断7#灭磁电阻存在问题。最后，工程技术人员将全部灭磁电阻与主控模块进行更换，待完成调试后开机试运转，确保同步电动机处于正常状态。

2.2.3 故障排查及处理中的注意事项

（1）如果显示旋转模块故障，则旋转励磁系统一定存在问题。造成此类问题的原因一般是旋转整流系统发生缺相或是短路问题，致使旋转电枢在非平衡状态下运行，并由此产生负序电流以及零序电流。对此，可利用谐波波形图对旋转模块故障源头进行识别。利用励磁绕组电流对交流电源支持下的励磁机电枢电压波形变化、励磁机旋转励磁系统运行频率的基础波形变化，测量特征谐波幅值，对缺相、短路或是缺少脉冲等问题进行初步识别。（2）针对励磁系统旋转模块进行检查的前后，工程技术人员需保证所拆解的和最终恢复的线路连接情况一致，各个端子处于紧固状态。

3 AMS-800LF型同步电动机

3.1 励磁系统介绍

该规格型号的同步电动机励磁系统有四项主要功能，包括控制励磁电流、控制启动排序、保护同步电动机、使控制者与控制系统整体建立联系。此同步电动机的控制模式有恒励磁，即励磁参数设置为恒定；恒电压，即设定恒定电压保证同步电动机和励磁系统维持运转；恒电压+恒功率因数，即通过设置恒定电压来调节功率因数变化，进而保证同步电动机和励磁系统稳定运转；恒无功+横功率因数控制模式是该规格型号同步电动机最为常用的，此模式下的参量单位是KVAr，调节控制模式可通过操作面板完成。其中，控制无功需利用PID 调节器，实际的无功数据需以主开关位置所测的数据为准，通过无功变换器调整为输入信号，再和PLC 控制器中的相关变量完成对比分析。在恒功率因数控制模式下，同步电动机的运行功率处于被控制的恒定状态，功率因数可以通过控制面板完成设定，但不可直接进行测量，因而需要在PLC 控制器中将同步电动机的功率因数参量按照等效无功功率进行计算。

3.2 励磁系统失步跳闸故障分析

此规格型号同步电动机励磁系统出现失步跳闸故障的原因较为复杂，有外部原因导致的，也有内部原因引发的，且多数情况为内外因素共同导致的。其中，外部原因包括外部电力系统网络波动变化而产生干扰影响，或是风门修正幅度过大而造成的系统运转异常等；而内部原因包括供电系统无法稳定支撑励磁系统正常运转、励磁系统本体存在低效励磁问题、励磁系统内部个别元器件出现问题、控制模式调整不当、励磁系统内部定子或转子发生移动等[3]。就本文所分析案例来说，工程技术人员通过对比分析各类原因，讨论认为同步电动机励磁系统出现失步跳闸故障是由于励磁系统内部元器件发生损坏而引起的，因此故障处理方向得以明确。

3.3 励磁系统失步跳闸故障处理

本案例针对励磁系统内部元器件损坏而引发的失步跳闸故障采取以下措施进行处理：（1）更换电源。同步电动机励磁系统内部元器件发生损坏多数由供电系统不稳定或电源输入异常而造成，为保证此次失步跳闸故障处理彻底，工程技术人员将电源调整为不间断电源，以此确保励磁系统能够长时间得到稳定可靠的电力能源支持。针对AMS-800LF型同步电动机各项参数进行对比分析，最终选用Hipulse U/120/S/6P 型不间断电源实施更换处理，并利用型号ULK366SZ12-UF-BCB500/0500-03 的电池进行搭配，按照三进三出的方案开展安装调试，并设定额定容量120kVA。除此之外，工程技术人员针对励磁系统供电专用变压器进行维护更换，同时检查了励磁系统的输电线路，从而确保供电系统及输电线路能够为励磁系统提供稳定可靠的电力支持。（2）更换励磁系统内部元器件。通过排查励磁系统内部元器件运转状态，并结合厂家售后回访交流，工程技术人员确认出现损坏的元器件为励磁控制器。由于励磁控制器无法稳定运行，难以有效控制励磁电流的大小变化，导致励磁系统内部磁场运行出现异常，进而影响同步电动机整体运转效果。工程技术人员将对励磁控制器进行更换，并进行数次调试，确保更换后的励磁控制器能够在正常发挥调节控制作用，从而保证励磁系统能够稳定运转。（3）修正低效励磁保护。工程技术人员为能够更好地识别判断导致失步跳闸故障的原因，特意重新修正了低效励磁保护程序，将之前的-15%修正为-25%，以此有效保护励磁系统在低效励磁状态下的安全性。

4 结语

综上所述，造成同步电动机励磁系统出现故障的原因有许多，需要全面分析产生故障的可能性以及导致故障现象的源头，才能准确找出造成故障的具体位置。工程技术人员应加强对励磁系统的维护管理，定期进行紧固和试验，全面掌握励磁系统运转状态，同时加强巡检的细致程度，制定巡检标准和重点检查内容，尤其需要关注连接线异常以及系统过载预警等情况，切实做到尽早发现问题、解决问题，以保证同步电动机运转效果。