10kW厢式电站中发电机励磁绕组的保护设计

刘文俊

（江苏泰达机电设备有限责任公司，南京 210039）

0 引言

10kW厢式电站是频率为50 Hz、额定转速为3000r/min、额定电压为230 V的单相10 kW工频电站，电站出厂至今历时6a，陆续接到用户的反馈：有的机组启动后，发电机组无电压输出。

1 故障原因分析

1.1 故障现象描述

对于故障电机，维修人员使用万用表欧姆档，检测出发电机的励磁线圈开路，励磁线圈断裂并发现励磁线圈断裂处位于绑扎带的边缘，在断裂处有大量的铜绿。

1.2 故障定位

励磁绕组断裂的原因有如下4种可能：1）机组发电时，通过励磁线圈的电流过大，该电流超过了励磁线圈电流的允许数值，导致线圈熔断断裂。2）机组工作过程中，厢式电站内部温度过高，导致发电机的绝缘性能下降，此时的电机绝缘强度就不能保证电机满载时所通过的电流量，从而导致线圈熔断断裂。3）工作环境中湿度过大，导致励磁线圈工作过程中受到腐蚀，发电机在长期运行过程中，励磁线圈上面的绝缘保护膜甚至铜导线会逐渐锈蚀，会首先在整个励磁线圈最薄弱的地方出现断裂。4）机组运行过程中因为振动过大而引起发电机内部元器件的损坏，包括励磁线圈的断裂。

1.3 原因分析

1）对于第一种电流过大导致熔断的原因，我们对断裂处的线包进行了测绝缘电阻的试验，证明整个线包的绝缘性是满足要求的，绝缘性良好。另外，观察励磁线圈断裂处，并没有因为电流过大熔断而烧焦发黑的痕迹。综合以上两点说明励磁线圈的绝缘良好，不存在通过励磁线圈的电流超过励磁线圈的允许数值而导致线圈熔断断裂的问题。

2）对于第二种温度过高致使电机绝缘性能下降，从而导致励磁线圈熔断的原因。我们依据10 kW厢式电站在运行时厢内温度的测量数据：试验时，环境温度42℃，电机侧的温度为54℃。电机的绝缘等级是H级。H级绝缘的含义是：电机温升性能允许数值为125℃，环境温度为42℃，电机允许的温度上限为167℃，而此时测得的厢内电机侧的温度为54℃，远远低于电机的温度上限允许值167℃，因此，可以断定由于厢内温度过高致使电机绝缘性能下降，从而导致励磁线圈熔断的原因也不成立。

3）对于工作环境中湿度过大，导致励磁线圈工作过程中受到腐蚀而断裂的问题。根据用户的反映，该电站的使用环境是沿海地区，空气潮湿，从而导致励磁线圈表面氧化腐蚀进而最终断裂。但是，当我们检查电机上面的其它绕组时，发现电机的其它绕组（其绝缘性和励磁线圈的绝缘性均为H级）并没有发生断裂现象。另外，机组的控制屏电路部分也没有发生任何的断裂现象，说明机组的整个控制电路部分的元器件并没有出现因为工作环境中湿度过大，导致导线（线圈）工作过程中受到腐蚀而断裂的现象，至此，我们将发电机励磁线圈由于环境湿度过大而导致腐蚀断裂的可能性排除。

4）最后一种可能性就是，机组运行过程中因为受到的振动过大而引起发电机内部元器件的损坏，包括励磁线圈的断裂。在发电机组中，甚至连利用振动来精确评价机械应力也是不可能的事。经验表明［1］，如果振动级别超过类似发电机组可接受的某一‘通常值’后，发电机组中的重要零部件将会因承受过高的振动应力而发生机械损坏。参照文献［1］的附录C中对转速为3000 r/min，功率≤15 kV·A（单缸机），振动加速度有效值的通常值1为44 m/s2，通常值2为50 m/s2，根据实测厢式电站在机组下减振垫BE-60损坏和完好两种不同的情况下，测得的电机侧的振动加速度有效值均远超过标准规定的振动加速度有效值的通常值，因此，可以初步判断因为振动过大而导致发电机内部励磁线圈的断裂。另外，励磁线圈的塑料扎带并不在线包中间的护套上，而是由于振动的原因离开护套滑向线圈，在持续的振动过程中，扎带在线圈上面反复摩擦，最终割破线圈上面的保护层。但是，铜导线是有一定强度的，仅仅依靠塑料扎带的摩擦是不能够将铜导线割破的，故此故障原因也应排除。

5）综上所述，我们认为电机励磁线圈的断裂不可能是由上面任一单个原因所造成的，通过试验和对励磁线圈断裂处的分析，可以得出电机励磁线圈的断裂是由诸多原因叠加而造成的结果。电站工作过程中振动过大，励磁线圈在持续振动的影响下，其扎带从线包中间的护套滑落至线包的保护层上面，扎带不断地摩擦保护层，最终割破表面保护层使线圈铜导线裸露出来。电站工作时，励磁线圈上面经过大电流造成线圈高温，因为电站处于沿海高湿度的环境中，这种情况下，裸露的铜导线通电时就会发生电氧化现象，此处就会成为整个励磁线圈最薄弱的部分。此时，减振垫一旦出现损坏，其振动情况比完好的减振垫的振动情况更为恶劣，使励磁线圈终于在线圈最薄弱的部分发生断裂，从而导致发电机无电压输出。

2 改进设计措施

根据上面的原因分析，发现仅仅通过更换发电机的励磁绕组的方法是不能彻底解决问题的，需要从10 kW厢式电站本身的振动、结构、电机防护等方面考虑来解决此问题。

要确保公路桥梁养护质量的提升，工程建设单位还应就养护队伍的专业性进行规范建设。一方面，通过专业的养护培训，确保在以“专”为核心的指导下，公路养护人员能够实现工程潜在问题的有效发现，并能进行规范性的防治处理。另一方面，确保公路桥梁养护人员具有较高的职业素养，能够积极、主动且负责的进行养护管理，从而避免养护过程责任心不强、养护怠工等现象的发生。

2.1 振动方面

2.1.1 故障现象

对机组的拆解，发现机组底部BE-60减振垫已经损坏。

2.1.2 振动的测量

1）国军标振动方面的相关规定。电站工作时振动的单面振幅数值应不超过0.3 mm或者0.5 mm［2］。

601［3］方法：在机组 3 种工况空载、半载、满载时测量振动值。

对机组按振动的三要素（S、v、a）进行测试，3种工况在3个方向上分别进行测试，测试点为发电机的后端部，分别计算出空载、半载、满载情况下故障机组加速度的有效值，见表1。

表1 BE减振垫下振动测试结果m/s2

表2 EA减振垫下振动测试结果m/s2

3）机组在安装EA-60的减振垫下的振动。

对机组按振动的三要素（S、v、a）进行测试，3种工况在3个方向上分别进行测试，测试点为发电机的后端部，分别计算出空载、半载、满载情况下故障机组加速度的有效值，见表2。

2.1.3 抗振动的改进设计

发电机组的振动三要素（S、v、a）的有效值选取如表3，测点为发电机的后端部。

根据测试数据看出，表1中测量的加速度有效值均远大于44 m/s2的安全值，而表2所测量的加速度有效值介于44～55 m/s2之间，从以上分析可以知道，安装BE-60减振器的发电机组振动加速度超差，会直接导致发电机等部件损坏，而安装EA-60减振器的发电机组振动加速度是处于最小值数值1和最大值数值2两者组成的区间内。根据我公司与机组供货商签订的产品结构性能筛选优化技术协议，可以确保发电机组的可靠运行。

因此，在解决机组振动问题方面，我们采用更换4个BE-60减振垫为4个EA-60减振垫的方式来减轻振动过大对机组的破坏。

表3 发电机组振动三要素（S、v、a）有效值要求

2.2 结构方面

我们将厢体进行改造，在不影响电站性能的前提下，增大进风口，面积从改进前的200 mm×295 mm到改进后的260 mm×500 mm，同时使排风途径通畅，改善了厢体内温升状况，其作用是减少厢内外温差，改进前厢内外温差为10℃，改进后厢内外温差为6℃，降低导致机组凝露的可能性，从而减少电解异体的总量。

2.3 电机防护方面

针对10 kW厢式电站用户多使用在沿海高湿度的环境中，我们对10 kW厢式电站的发电机的励磁线圈进行了进一步防护处理。从以下几个方面着手：

1）在浸漆前绕线和绑扎时，避免擦伤绕组。

2）采用棉布软扎带替代塑料硬扎带，绑扎时，注意检查是否有擦伤和绕组凹坑；操作平台增加防护，避免绕组跟平台直接接触。

3）对励磁的浸漆工艺进行改善，采用VPI浸漆方式，提高绕组的渗透性，由原来的全绑扎然后浸漆，改为先浸漆一次，然后全绑扎，再浸漆；

4）提高励磁绕组铜导线的质量等级和工艺考核要求，改用渗透性更好的5070环氧类树脂漆替换现有的FT2015聚酯类树脂漆。

3 结论

通过对10 kW厢式电站的振动进行分析，同时改善机组的通风状态，对励磁绕组本身进行加固处理，在振动、结构和电机自身防护等三方面对发电机进行设计改进，自内而外地对10 kW厢式电站中发电机励磁绕组进行保护，从根本上杜绝了励磁绕组再次断裂的可能性，事实证明，对10 kW厢式电站的改进设计措施有效，切实可行，提高了电站的整体可靠性［4］。

［1］ 往复式内燃机驱动的交流发电机组第9部分机械振动的测量和评价：GB/T2820.9-2002［S］.

［2］ 军用交流移动电站通用规范：GJB235A-1997［S］.

［3］ 军用内燃机电站通用试验方法：GJB1488-1992［S］.

［4］ 刘根成.50kW中频发电机组的减振改进设计［J］.移动电源与车辆，2013（2）：1-3.