提要：某大型泵站運行中保護(hù)裝置報勵磁故障，機組跳閘，經(jīng)檢測是轉(zhuǎn)子線圈開路故障，本文針對這次故障，試從大型泵站同步電動機的啟動、電機生產(chǎn)、安裝工藝、水泵的不利工況等方面分析故障的成因，并對避免該故障提出建議。

關(guān)鍵詞：泵站;同步電動機;轉(zhuǎn)子線圈;開路;原因分析

大型泵站多采用同步電動機作為動力源，拖動大型水泵工作。同步電動機具有轉(zhuǎn)速恒定，它的轉(zhuǎn)速與電源頻率之間有著恒定的同步關(guān)系，即n=60f/p ，功率因數(shù)可調(diào)，效率高，運行穩(wěn)定性高等特點，因此，在低揚程、大流量的軸流泵站應(yīng)用廣泛。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式一般采用凸極式，勵磁電源通過碳刷、集電環(huán)接入轉(zhuǎn)子線圈。

原單位是洞庭湖區(qū)一座大型電力泵站，采用同步電動機、全調(diào)節(jié)軸流泵機組，主要功能為防洪排澇。同步電動機參數(shù)：功率2500KW，額定電壓6.3kv ，功率因數(shù)超前0.8，轉(zhuǎn)子勵磁電壓156 V，勵磁電流210 A，額定轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分。機組自2003年投入運行，通常汛期短時間連續(xù)運行，在經(jīng)過16年防汛開機運行后，2019年汛期運行排澇中發(fā)生故障。6月27日早晨5點55分，值班人員聽見4號機組電動機異響，立即奔赴電機層查看，發(fā)現(xiàn)勵磁屏跳出通道故障和脈沖故障信號，當(dāng)班人員隨即發(fā)出停機指令。幾乎同一時刻，微機控制保護(hù)系統(tǒng)采集到勵磁故障信號，保護(hù)裝置動作，跳閘停機。跳閘停機后，第一時間組織技術(shù)力量進(jìn)行了故障排查。通過核實故障信號源、更換元器件、測量復(fù)核數(shù)據(jù)等一系列檢查，排除了勵磁系統(tǒng)故障。然后對同步電動機進(jìn)行觀察檢測，通過測量轉(zhuǎn)子直流電阻，兆歐表搖測絕緣，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈電阻為無窮大，拆除機組檢修蓋板，觀察發(fā)現(xiàn)一處故障點，在轉(zhuǎn)子兩個線圈繞組連接處有燒損的跡象，最后，確認(rèn)故障原因為轉(zhuǎn)子繞圈連接銅排燒斷，形成電機轉(zhuǎn)子線圈開路，引發(fā)“勵磁故障”而導(dǎo)致跳閘停機。

筆者針對這次故障，試從大型泵站同步電動機的啟動、電機生產(chǎn)、安裝工藝、水泵的不利工況等方面進(jìn)行分析。

大型泵站同步電動機的啟動就是同步電動機自接入電網(wǎng)直至轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的過程。大部分同步電動機采用異步啟動法。該泵站即采用全壓異步啟動法。異步啟動法主要依靠在定子投入電網(wǎng)后磁極極靴上的啟動繞組（阻尼繞組）中的感應(yīng)電流與定子磁場間的產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行啟動的。此時為避免勵磁繞組開路感應(yīng)的高電壓將絕緣擊穿，必須將勵磁繞組分段開路或短接起來。在短接時，短接的勵磁繞組中會流入較大的感應(yīng)電流，這個電流與定子三相旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使得電動機的合成轉(zhuǎn)矩在一半同步轉(zhuǎn)速附近變小，出現(xiàn)最小轉(zhuǎn)矩，即單軸力矩效應(yīng)。所以，啟動時勵磁繞組中應(yīng)串聯(lián)一個電阻值約是5-10倍勵磁繞組電阻值的啟動電阻器。以限制感應(yīng)電流，提高最小轉(zhuǎn)矩，且能提高牽入轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到95%的同步轉(zhuǎn)速時，給轉(zhuǎn)子加上直流電流勵磁，這時旋轉(zhuǎn)磁場則把轉(zhuǎn)子拉入同步。啟動過程是異步電動機到同步電動機的轉(zhuǎn)換，異步啟動時，定子電流可達(dá)到額定值的6-7倍，所以，大型同步電動機不適應(yīng)頻繁啟動。在防汛開機運行中，因為保護(hù)裝置不穩(wěn)定、開停機調(diào)度，曾相對頻繁啟動該臺同步電動機，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈不斷流過大電流，加劇了線圈的絕緣老化損壞，同時由于在啟動與過載運行過程中，在各種力的作用下，電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子的短路環(huán)、焊接點慢慢發(fā)生松動，銅條與鐵芯配合過松致使銅條在槽內(nèi)發(fā)生振動，如不能及時散熱的話，嚴(yán)重的會導(dǎo)絕緣致膨脹變形，引起轉(zhuǎn)子振動加劇，進(jìn)一步破壞繞組結(jié)構(gòu)。

電機生產(chǎn)、安裝工藝的影響。雖然在電動機設(shè)計時電氣性能都能夠達(dá)到并超過技術(shù)條件保證值，但是電動機制造出來后，由于受到材料性能、工藝波動的影響，電氣性能時常低于保證值。實際運行中渦流損耗、轉(zhuǎn)子銅損、機械損耗都會逐步變大，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不利影響。該同步電動機額定轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，有30個磁極，在這么多磁極中，只有一處相鄰磁極的連接處發(fā)生了燒損斷裂，查驗其他磁極的連接處，未發(fā)現(xiàn)異常情況，可能和生產(chǎn)中連接銅排的折彎操作，焊接搪錫工藝不良、工人制造技術(shù)水平等有關(guān)，此處銅排存在折彎損傷，應(yīng)力集中，接觸不良，形成了整個轉(zhuǎn)子線圈的最薄弱環(huán)節(jié)，在不利工況下，最先被破壞，最終燒損斷裂。其次，在電機安裝過程中，存在連接螺栓松緊問題，吊裝過程中，轉(zhuǎn)子外壁存在刮擦損傷，安裝精度，如磁場中心、軸承間隙、安裝水平度等不達(dá)標(biāo)。使電機運行時處于不利狀態(tài)，隨著時間的推移，對電機轉(zhuǎn)動部件的損傷越大，直至故障的發(fā)生。從制作工藝上就是要提高關(guān)鍵部件的質(zhì)量，如提高鐵芯的質(zhì)量，使定、轉(zhuǎn)子鐵芯尺寸精度和幾何精度符合圖紙要求，提高零部件的機械加工質(zhì)量，保證氣隙均勻度和定、轉(zhuǎn)子鐵芯對齊，加強硅鋼片的質(zhì)量檢驗;生產(chǎn)過程中，技術(shù)工人安裝工藝、技術(shù)水平對電機運行也產(chǎn)生很大的影響。

水泵的不利工況影響。該泵站采用的2500ZLQ22.5-9.27型軸流泵。根據(jù)垸內(nèi)排澇能力確定啟排水位為28.6米，根據(jù)泵站最小淹沒深度等參數(shù)確定最低啟排水位為28米，當(dāng)時實際運行中，軸流泵中心線淹沒深度僅1米多，揚程約5米，而泵的額定揚程是9.27米，脫離了設(shè)計運行工況，值班巡視人員反映水泵運行聲音變大，汽蝕增大，振動變大。在不利工況下運行了29天。因水泵和同步電動機采用直連的方式連接，導(dǎo)致電動機也處在不利工況下，顯示電流擺動、振動加大，容易造成轉(zhuǎn)子線圈連接處金屬疲勞、接觸不良、電阻加大，最終斷裂損壞。

同步電動機轉(zhuǎn)子線圈開路的故障相對比較少見，一旦線圈開路處理起來比較麻煩，需要將電機拆開維修，輕則需要將連接處銅條進(jìn)行剝線、打磨、焊接，并進(jìn)行絕緣處理，重則需要更換部分磁極線圈，而且這種故障又很難發(fā)現(xiàn)，在電機正常運行的情況下，不好通過儀器檢測發(fā)現(xiàn)。如何避免類似故障的發(fā)生呢？

1、保證機組安裝、檢修的質(zhì)量。

大型泵站是水泵電機組合，水泵軸和電機軸總垂直上下長十幾米，機組安裝中軸線擺度、安裝高程、磁場中心、軸瓦間隙、轉(zhuǎn)子圓度、質(zhì)量平衡等都對機組穩(wěn)定運行產(chǎn)生重要影響，所以，在安裝、檢修中一定要控制好安裝質(zhì)量，保證必要的精度。安裝完畢，要參考相關(guān)泵站規(guī)范，進(jìn)行交接性試驗，測試定、轉(zhuǎn)子直流電阻、絕緣電阻，直流泄漏試驗，甚至做工頻交流耐壓試驗等。由于電機在出廠時，已經(jīng)做過交流耐壓試驗，因該試驗每次對絕緣都有一定的損傷，屬于破壞性試驗，如現(xiàn)場其他試驗參數(shù)正常且無特殊要求，現(xiàn)場一般不再做交流耐壓試驗。除了保證質(zhì)量，滿足試驗要求后，平時檢修維護(hù)中，要加強啟動繞組、磁極的觀察，看是否有明顯的變色、刮痕、虛焊等損傷，進(jìn)行必要的線圈參數(shù)測量、試驗，并與出廠值、往年試驗值做對比趨勢分析、判斷。維護(hù)中，注意保證電機清潔，環(huán)境良好，散熱通風(fēng)順暢，防止灰塵、冷卻水、油漬和其他雜物，進(jìn)入電動機內(nèi)部。

2、加強運行期間值班巡視、防止事故擴大。

在自動化技術(shù)不斷應(yīng)用的今天，不能忽視人的作用。開機運行期間，一定要加強值班巡視，不能完全依靠自動化裝置，象類似轉(zhuǎn)子線圈開路的故障，自動化裝置是無法提前發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)勵磁故障報警跳閘時，故障已經(jīng)發(fā)生，如不能及時發(fā)現(xiàn)，電動機繼續(xù)運行，同步電動機將轉(zhuǎn)入異步電動機方式運行，長時間將燒毀啟動繞組乃至整個轉(zhuǎn)子，造成更大事故。所以，運行值班人員要加強巡視，注意機組運行的聲音、振動、氣味等，并與觀察電動機的電氣運行參數(shù)的變化，做到發(fā)現(xiàn)及時、處置得當(dāng)。

3、適時調(diào)節(jié)水泵的合理運行方案。

大型泵站應(yīng)根據(jù)水泵的技術(shù)參數(shù)、特性曲線、內(nèi)外河水位變化，適時調(diào)節(jié)制定合理的運行方案，尤其是針對全調(diào)節(jié)水泵，應(yīng)根據(jù)水泵特性曲線，調(diào)節(jié)葉片角度，找到合適的工況點，使水泵運行在穩(wěn)定區(qū)域，避免在不穩(wěn)定區(qū)長期運行，從而減小機組的振動損害。

結(jié)束語：大型防洪泵站擔(dān)負(fù)著重要的排漬任務(wù)，機組的穩(wěn)定可靠運行關(guān)系到受益區(qū)老百姓的切身利益，作為泵站技術(shù)人員一定要做好設(shè)備的維修維護(hù)，及時處理設(shè)備隱患。運行值班人員要加強運行值班巡視，通過聽聲音、聞氣味、看參數(shù)等基本技能判斷設(shè)備運行狀態(tài)，必要時候可通過紅外測溫儀、成像儀等儀器測量，及時發(fā)現(xiàn)、處置類似轉(zhuǎn)子線圈開路等故障，避免造成更大的損失。

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作者簡介：李沅（1979-），男，湖南省益陽市城市防洪工程管理處 高級工程師、研究方向：機電與金屬結(jié)構(gòu)