同步电动机励磁系统故障排查及处理

摘 要：对同步电动机励磁系统原理和常见故障分析及处理进行了叙述，并指出了励磁系统运行维护应注意的事项。

关键词：同步电动机;励磁;故障

0    引言

励磁系统是同步电动机的重要组成部分，其对于同步电动机的运行起着极其重要的作用。某石化企业加氢装置现有7台大型压缩机组，配套的同步电动机均选用了WKLF-400系列微机控制无刷同步电动机励磁系统。

1    同步电动机励磁系统工作原理

整套励磁系统由旋转励磁和静态励磁两部分组成。

旋转励磁部分安装在主电机轴上，每套旋转励磁包括1个控制模块、3个整流模块、1个启动模块和8个电阻模块，其电气原理图如图1所示。

静态励磁部分主要是由励磁调节器、励磁变压器、功率单元、电源系统和测量元件、显示面板组成的静态励磁柜，安装在非防爆场所。其核心控制单元为微机控制同步电动机励磁调节器，具有双套调节器自动跟踪和故障自动切换（调节器双冗余）的技术性能。静态励磁装置的功率单元采用IGBT斩波方式，并配置有IGBT控制电阻灭磁电路。其电气原理图如图2所示。

2    静态励磁系统故障排查及处理

2.1    案例分析

（1）故障现象：2013-03-08T07：59，新氢压缩机108-K-101B电机开关故障跳闸，现场6 kV开关柜综保显示“过负荷反时限跳闸”，动作电流为580 A（额定电流290 A，保护定值348 A）;励磁柜控制面板“励磁故障”指示灯亮，故障录波显示电机定子电流增至580 A，延时65 s后跳闸，跳闸前电机电流呈现周期性波动波形。

（2）故障排查处理：检查同步电动机和励磁输出电缆的绝缘电阻均合格;对6 kV馈电柜模拟“过电流保护动作”试验，动作情况与故障录波一致;检查励磁柜励磁回路接线，发现励磁正极输出接线端子有松动现象，同时全面检查和紧固励磁回路接线;对励磁系统进行调试试验、检查均正常;检查励磁机本体及本体接线端子正常。

通过检查励磁系统并采用排除法，确认此次电机停机原因为励磁柜励磁输出接线松动，电机失磁后导致失步，开关过流保护动作跳闸（过流保护先于失步保护动作）。励磁系统异常引起失步的原因主要包括励磁绕组匝间短路、励磁机或旋转励磁系统故障、励磁回路断线或接触不良。通过前述检查可以排除前两项原因。重新检查并紧固励磁回路接线后，重新进行调试，开机试运正常。

2.2    静态励磁系统故障排查处理过程中的注意事项

（1）核对所有对外接线无误后解开转子接线，确保外部交流、直流电源及母线PT信号完全切断时进行回路电阻和绝缘测试。

（2）电阻测量主要检查直流回路（220 V/

24 V）、交流回路（电源、PT和CT）和主回路母线电阻值应符合标准，测试完毕恢复励磁装置至交流励磁机励磁绕组接线。

（3）绝缘测试需要合空气开关，解开双路励磁电源进线的零线，解开液晶触摸屏面板接地端子连线，短接并使用500 V摇表摇测直流回路和交流回路（包括励磁变的二次侧）绝缘电阻应不低于0.5 MΩ。

（4）调试试验包括投励、两套调节器手动切换、增减磁、灭磁、保护、励磁系统和断路器之间的联动试验。

3    旋转励磁系统故障排查及处理

3.1    案例分析

（1）故障现象：2017-08-08T15：43，新氢压缩机107-K-

101A电机开关跳闸，现场6 kV开关柜综保无故障显示，静态励磁柜“旋转模块故障”指示灯亮，后台监控发“新氢A机组励磁故障”报警。

（2）故障排查处理：测量同步电动机定子绕组绝缘电阻为2 500 MΩ，检查高压配电柜内接线无松动;检查励磁柜内中间继电器等元器件无异常，检查励磁柜内各线路无接线松动情况;将励磁柜内转换开关打在试验位置，对励磁柜各项参数进行检查均正常;打开现场交流励磁机端盖，检查旋转励磁系统;检测整流盘及主机转子绝缘电阻，值为10 MΩ;检查励磁机接线端子紧固，本体无明显异常现象。

通过检查励磁系统并采取排除法，逐项分析来自励磁柜且能引起高压配电柜断路器分闸的跳闸信号：励磁调节器跳闸信号、空气开关跳闸和快熔断。经检查空气开关和快熔正常，而静态励磁柜“旋转模块故障”指示灯亮，可判断跳闸信号由励磁调节器发送。而静态励磁装置具有两套独立的控制单元（调节控制通道），手动切换试验时，A套和B套都无故障出现，由此可考虑失步保护、旋转模块故障和旋转快熔熔断保护引起的电机跳闸。根据录波柜显示跳闸前电机电流波形正常，不存在失步情况;同时DCS记录显示最后一次励磁故障报警持续时间约为15 s，与励磁机旋转模块故障延时跳机的时间设定15 s吻合，综合分析判断，确认为励磁旋转模块故障。

励磁旋转模块故障是指安装在电机侧的旋转整流系统出现了短路或缺相，导致旋转电枢不对称运行。励磁旋转部分的故障排查，主要是现场对主控模块、整流模块、启动模块、灭磁电阻等部分的接线检查和电气参数测量，通常都可以快速确定故障点。

1）检查主控模块。使用万用表电阻档对主控模块各端子间接线和未接线阻值分别进行测量，结果如表1所示。

从测量结果可以看出，主控电源11和13端子间阻值明显偏低，其正常值应大于2 MΩ，且三相阻值必须平衡。因此，可确定主控电源已经故障。

2）检查灭磁电阻。短接旋转整流盘1#母排（L1）和2#母排（L2），用500 V摇表测量L1对地绝缘为0.2 MΩ（正常应大于5 MΩ）。解开各个灭磁电阻模块接线，使电阻与转子完全独立，分别测量各电阻与转子对地绝缘，最终发现7号电阻模块故障。

将主控模块及全部8个灭磁电阻模块更换后，重新开机运行正常。

3.2    旋转励磁系统故障排查处理过程中的注意事项

（1）旋转励磁系统故障通常为旋转整流系统出现了短路或缺相，导致旋转电枢不对称运行并产生零序及负序电流，同时在励磁绕组电流中感应出为交流励磁机电枢电压、频率的基波及2次谐波的特征谐波电流，通过测量特征谐波电流的幅值，取出特征谐波的波形图，可以对旋转整流系统丢失脉冲、缺相、短路和不投励等故障进行初步判断。

（2）除对整流盘进行常规检查，如有条件可通过模拟接入假负载，根据示波器波形图，测试判断主控模块工作和啟动回路防误动作情况。

（3）励磁旋转系统检测前后，应认真核对拆除和恢复的接线一致，端子紧固，防止接线错误导致短路故障或励磁异常。

4    结语

综上所述，同步电动机的励磁系统故障类型和故障原因虽然很多，但只要认真分析故障现象，细致排查所有可能的原因，就可以快速找到故障点进行处理。同时要注意以下几点：

（1）励磁系统应结合机组检修进行定期维护、清扫、紧固和联锁试验。

（2）加强机组运行期间励磁系统的巡检，细化巡检内容和标准，特别关注接线松动、过热等异常情况。

（3）每个运行周期（3～4年）结束后，要对静态励磁柜和励磁旋转模块进行全面检测。励磁旋转模块因现场运行环境恶劣，建议在三个运行周期后进行更换。

[参考文献]

[1] 北京前锋科技有限公司.WKLF-400无刷同步电动机励磁装置用户手册[Z]，2008.

收稿日期：2020-04-13

作者简介：王洪峰（1979—），男，河北玉田人，电气工程师，从事化工企业电气设备技术管理工作。