高港樞紐同步電機(jī)勵磁失步成因分析與對策

李 頻 樊錦川

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321）

0 引言

泰州引江河是我省為實(shí)施“海上蘇東”戰(zhàn)略而興建的一座大型水利工程，它可將長江水送往里下河地區(qū)和東部沿海墾區(qū)，解決蘇北水資源不足的問題，提高里下河地區(qū)的灌排標(biāo)準(zhǔn)，改善蘇北地區(qū)的航運(yùn)條件，并為蘇北地區(qū)改善水質(zhì)、沿海沖淤保港提供水源。泰州引江河高港樞紐由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110 kV專用變電所組成。泵站安裝立式開敞式軸流泵9臺套，葉輪直徑3.0 m，配套電機(jī)2000 kW，單機(jī)抽水能力34 m3/s，總抽水能力300 m3/s。泵站機(jī)組選用的勵磁裝置為BKL-501SC型微機(jī)勵磁裝置，該裝置工作可靠、穩(wěn)定，并且具有失步保護(hù)及不減載自動再整步功能。但在實(shí)際應(yīng)用中，失步的類型有多種，導(dǎo)致各類失步的原因也較多，如何應(yīng)對各種失步有效發(fā)揮勵磁裝置的作用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。筆者結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，就該裝置的失步再整步功能談幾點(diǎn)認(rèn)識。

1 失步類型

同步電動機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生失步主要存在以下幾種類型：失勵失步、帶勵失步和斷電失步。

帶勵失步是指電機(jī)帶有正?；蚪咏５膭畲烹娏鞯那闆r下，同步電動機(jī)失去同步。

失勵失步是指同步電動機(jī)勵磁繞組失去直流勵磁或嚴(yán)重欠勵磁，使同步電動機(jī)失去靜態(tài)穩(wěn)定，滑出同步。

斷電失步是由于供電系統(tǒng)的自動重合閘ZCH裝置、備用電源自動投入BZT裝置動作或人工切換電源，使電動機(jī)暫時失去電源而導(dǎo)致的。因?yàn)閿嚯娛Р皆诟吒蹣屑~出現(xiàn)的幾率很小，故勵磁裝置中沒有配置斷電失步保護(hù)，以下對斷電失步不再討論。

2 失步成因分析

失勵失步的主要原因有4種，即：勵磁繞組斷線、勵磁系統(tǒng)故障、電刷接觸不良及彈簧失去壓力。

帶勵失步的主要原因有3種：一是周圍大負(fù)荷起動，相鄰母線短路等原因引起母線電壓大幅度波動；二是負(fù)載突增等原因造成電動機(jī)短時間欠勵磁或失勵磁（如插接件接觸不良），引起失勵失步，又過渡到帶勵失步；三是在起動過程中過早投勵。

3 失步對同步電動機(jī)的危害

失步類型不同，產(chǎn)生的現(xiàn)象及對同步電機(jī)構(gòu)成的危害也不同。

3.1 帶勵失步

勵磁系統(tǒng)雖仍有直流勵磁，但勵磁電流及定子電流強(qiáng)烈脈振，脈振頻率隨電機(jī)滑差而變化，使電動機(jī)遭受強(qiáng)烈脈振，有時產(chǎn)生電氣共振和機(jī)械共振。

當(dāng)發(fā)生帶勵失步時，同步電機(jī)及勵磁裝置會產(chǎn)生下列現(xiàn)象：

（1）功率因數(shù)嚴(yán)重滯后，且大幅擺度；

（2）定子電流大幅波動，定子電流的平均值為2~3倍額定電流，波動幅度為1~2倍的額定電流；

（3）勵磁電壓表、勵磁電流表有指示，但擺動幅度較大；

（4）電機(jī)聲音有異常聲響，并劇烈震動，嚴(yán)重時會將大軸扭曲。

帶勵失步對電機(jī)所造成的危害，主要是脈振轉(zhuǎn)矩較長時間的反復(fù)作用，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力及可能引起的電氣或機(jī)械共振所致。產(chǎn)生的危害有：一是定子繞組綁線崩斷，導(dǎo)線變酥，線圈表面絕緣層被振傷，繼而過熱，燒焦、燒壞，甚至引起短路；二是轉(zhuǎn)子勵磁繞組接頭處產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)過熱、開焊、絕緣層烤焦，鼠籠條斷裂，與端環(huán)連接部位開焊變形，電刷滑環(huán)松動，定子鐵芯松動噪聲大；三是電機(jī)軸和水泵軸等部位承受正負(fù)交變的扭矩且長時間反復(fù)作用，使大軸扭曲，嚴(yán)重時出現(xiàn)斷軸事故。

需要著重指出，帶勵失步對電機(jī)所造成的損害往往是當(dāng)場未被發(fā)現(xiàn)的暗傷，當(dāng)這些暗傷逐步發(fā)展、擴(kuò)大成為設(shè)備損壞事故時，又往往被認(rèn)為是其他原因所引起的，甚至找不出事故原因，從而忽視造成事故的根源之一——帶勵失步。

3.2 失勵失步

由于勵磁繞組失去直流勵磁，轉(zhuǎn)子磁場消失，同步電磁轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)負(fù)載不變時，電機(jī)滑出同步運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)生失勵失步時，同步電機(jī)及勵磁裝置會產(chǎn)生下列現(xiàn)象：

（1）功率因數(shù)嚴(yán)重滯后，指針向上擺；

（2）定子電流增大為1.2~1.8倍額定電流，且擺動不停；

（3）勵磁電壓表、勵磁電流表指示為0。

失勵失步對電機(jī)所造成的危害有：一是起動繞組（阻尼條）流過超出額定電流數(shù)倍至數(shù)十倍的電流，導(dǎo)致阻尼繞組因溫度過高而變形、開焊、甚至波及定子繞組端部；二是在轉(zhuǎn)子回路會產(chǎn)生高電壓，造成勵磁裝置主回路元件損壞，引起滅磁電阻發(fā)熱，嚴(yán)重時甚至造成整臺勵磁裝置損壞。失勵失步是一個緩慢滑出同步的過程，雖然比帶勵失步要緩和得多，但由于不易被及時發(fā)現(xiàn)，其所造成的后果仍是嚴(yán)重的。

4 高港樞紐勵磁裝置失步再整步機(jī)理

同步電動機(jī)的帶載再整步機(jī)電暫態(tài)過程一般可劃分為失步制動、異步驅(qū)動、再整步三個階段。在判斷出電機(jī)處于失步狀態(tài)后，只要對電機(jī)進(jìn)行快速滅磁，熄滅轉(zhuǎn)子磁場，避免定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互沖突，消滅失步危害，暫時將同步電動機(jī)運(yùn)行于無勵異步狀態(tài)，待造成失步的擾動消除，在短時間內(nèi)若電機(jī)的轉(zhuǎn)速回升到一定值后重新投入勵磁電壓，可將電機(jī)牽入同步，實(shí)現(xiàn)自動再整步。若不能將電機(jī)拉入同步，則迅速關(guān)斷電源，這不會對電機(jī)造成太大的損壞，且可以最大限度的保持電機(jī)連續(xù)運(yùn)行。

高港樞紐采用的BKL-501SC型微機(jī)勵磁裝置失步再整步機(jī)理是：當(dāng)同步電動機(jī)失步時，在其轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生不衰減的交變電流分量，通過測取轉(zhuǎn)子勵磁回路分流器上的交變電流毫伏信號，經(jīng)放大變換后輸入控制中心，對其波形進(jìn)行智能分析，準(zhǔn)確、快速地判斷電動機(jī)是否同步。高港樞紐勵磁裝置對控制中心的部分參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，參數(shù)P18為“EPA延時”，是投勵后投入保護(hù)的延時時間，設(shè)定為5 s；參數(shù) P21為“失步計(jì)數(shù)值 T”，也稱為“失步檢測周期”，設(shè)定為1.5 s；參數(shù)P22為“失步判據(jù)1”，是失步時勵磁電流應(yīng)達(dá)到的最小波動幅值，設(shè)定為0.45；參數(shù) P23 為“失步判據(jù) 2”，是失步時勵磁電流應(yīng)達(dá)到的最低值，設(shè)定為0.25。失步保護(hù)動作原理見圖1、圖2，失步再整步電氣原理見圖3。

圖1 帶勵失步保護(hù)動作原理

圖2 失勵失步保護(hù)動作原理

圖3 失步再整步電氣原理圖

當(dāng)失步判據(jù)1、失步判據(jù)2成立后，失步計(jì)數(shù)值T每1.5 s計(jì)數(shù)1次，當(dāng)計(jì)數(shù)3次后，保護(hù)動作，控制中心發(fā)出滅磁脈沖信號，啟動滅磁回路，阻容滅磁回路工作，迅速關(guān)橋，此時，電機(jī)處于失步狀態(tài)，勵磁繞組中的感應(yīng)電流經(jīng)過KQ、ZQ、RF流通，情況與啟動過程相似，電機(jī)異步啟動，控制中心檢測到1DL合閘后，重新檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的滑差值，確定投勵的最佳時間，發(fā)出HJ閉合指令，勵磁狀態(tài)繼電器2LZJ工作，向控制中心輸入投勵動作1LZJ的開關(guān)量信號，控制中心CPU板發(fā)出觸發(fā)脈沖，勵磁主回路工作，使電機(jī)再次牽入同步，再整步成功。

如果故障時間過長或電機(jī)特性過差，無法實(shí)現(xiàn)再整步，經(jīng)延時后，失步保護(hù)裝置會自動動作于跳閘，通過控制中心觸摸屏可查詢失步次數(shù)和失步后重新投勵的時間。

5 實(shí)際運(yùn)用

同步電動機(jī)失步保護(hù)和不減載自動再整步技術(shù)，使同步電機(jī)在因負(fù)載突增、電網(wǎng)電壓劇降、勵磁電源短時消失等原因?qū)е码姍C(jī)帶勵、失勵失步時，可在故障源消除后，通過自動帶載再整步，使電機(jī)恢復(fù)同步運(yùn)行。

當(dāng)同步電動機(jī)在發(fā)生失步故障后，只有在短時間內(nèi)消除故障，通過勵磁裝置中的失步再整步功能才能讓電動機(jī)在不停機(jī)的狀態(tài)下，恢復(fù)同步狀態(tài)。這里需要注意的是有時間限制，高港樞紐的BKL-501SC型微機(jī)勵磁裝置，通過控制中心對部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，確保電機(jī)的失步再整步過程控制在8 s內(nèi)，使失步電機(jī)帶著正常負(fù)載平穩(wěn)可靠的實(shí)現(xiàn)再整步，既保障了電機(jī)設(shè)備的安全，又保持電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。

6 結(jié)語

同步電動機(jī)的失步故障絕大多數(shù)是由非電機(jī)自身故障的外界擾動所引起的，一般沒有必要跳閘停機(jī)，可通過勵磁裝置的失步保護(hù)和不減載自動再整步技術(shù)，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動再整步。但部分的失步故障還需要停機(jī)及時進(jìn)行解決，才能有效保障機(jī)組安全運(yùn)行。運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)在日常工作中，加強(qiáng)對同步電機(jī)和勵磁裝置的檢查維護(hù)，及時處理問題；在設(shè)備運(yùn)行中，加強(qiáng)巡查，及早發(fā)現(xiàn)故障，避免造成嚴(yán)重后果，保證工程的安全運(yùn)行。