大型高压同步电动机故障原因汇总及处理方法
大型高压同步电动机，由于其具有一系列优点，特别是能向电网发送无功功率，改善电网质量，在各行各业得到广泛应用。我公司球磨机用同步电动机曾在一段时期内频繁损坏，直接影响到我公司的生产和设备的安全运行。因此正确分析判断同步电机的故障原因，并提出相应对策，就成了我们的当务之急。
一、事故征象
我公司现有16台1300KW/6KV同步电动机。在2000年以前平均每年要出现2～3次电机烧损的事故。其事故主要征象为：定子绕组端部绑线崩断，电机定子绕组过热，起动绕组笼条开焊、断裂，电机起动及运行中出现异常声响，经常启动失败等现象。
尤其是在1999年1月12日我公司7#同步电动机运行过程中突然放炮，造成7#同步电动机定子线圈局部严重烧坏，高压电缆接头烧损，电流互感器崩坏，由于7#同步机脱扣装置拒动，保护不能正常动作，持续大电流引起密地变电所密27选Ⅱ线保护动作跳闸，影响到选Ⅱ所带其它用电设备停机。
二、事故原因的基本判断分析
1、电机质量分析：
电机的正常使用寿命一般应在20年左右。统计我公司所损坏的同步电动机，运行寿命大多在10年以下，尤其是这台7#同步电动机大修后，投运仅4个月便出现了这次放炮烧损事故。
在事故分析中，部分电气技术人员将事故的主要原因归结到电机的大修上。这种大面积的电机损害事故，将事故原因归结到电机质量上，我对此提出异议。建议将视线转移到对励磁系统的分析上；事实证明，电机修理厂在电机返修中对其重点部位进行了种种加强措施，甚至于提高了绝缘等级，但效果并不显著。损坏事故仍不断出现。
2、励磁系统原因分析：
针对同步电动机起动运行过程中发生异常声响、电机定子绕组过热、起动绕组笼条开焊、断裂等诸多现象，在排除电机质量原因引起事故的条件下，有必要对现行的励磁系统进行合理的分析，从而找出电机频繁损坏的真正原因：励磁系统设计不合理。
三、励磁系统存在的主要问题与电机故障原因的内在联系
1、励磁装置起动回路设计不合理，使同步电机经常处在脉振情形下起动。
原主电路为桥式半控励磁装置，其原理图如图1所示。
电机在起动过程中，在转子线圈内将感应一交变电势，其正半波通过ZQ形成回路，产生+if；而其负半波则通过KQ及RF形成回路，产生-if。由于负载电路不对称，形成+if与-if电流不对称，if曲线如图2所示。电机定子电流因此也产生强烈脉振，其曲线如图3。电机因而遭受到脉振转矩的强烈振动。造成整个厂房大厅内都可以听到电机起动过程发出的强烈振动声。这种声音一直持续到电机起动结束才消失。
另一方面，由于装置采用的是KGLF-11型老式励磁装置模拟控制，其投励检测元件老化，检测不准确，导致投励时间变化，对电机启动造成很大影响。随着电机起动过程滑差减小，转子线圈内感应电势逐步减小，当转速达到50％以上时，励磁回路感应电流负半波通路不畅，将处于时通时断，似通非通状态，形成+if与-if电流不对称，由此形成脉振转矩，造成电机产生强烈振动。有时在运行中受灭磁插件分立元件性能的影响，灭磁晶闸管KQ误导通，灭磁电阻发热烧红冒烟。它只有一个高导通电压，电机起动时，特别在转子感应电压较低时，KQ不能可靠导通，造成主机起动转矩不对称，使机组产生强烈振动。这正是前述的主要事故征象之一。
因此，无论电机质量如何优异，在如此恶劣的条件下电机频繁起动，给电机造成的损伤是可想而知的。电机的寿命因此大打折扣。
2、投励环节设计不合理，经常造成启动失败，重复启动次数大大增加。
投励环节原设计为：按同步电动机转子滑差顺极性无接点投励环节工作，如图4所示。
由于控制插件采用的是模拟元件，元件老化和温度漂移以及抗干扰能力弱，造成转子感应电压检测不准确。主要是由于检测感应信号的稳压管12WY和三极管3BG性能不稳定，还有对电容器5C的充放电时间不确定；在同步机进入亚同步时，该投励触发时却没有发出信号，往往造成同步机启动失败。这是模拟励磁装置的通病，结果是造成同步机重复启动，从而带来对电机的损害。
3、励磁装置无可靠的失步保护装置，使电机运行不可靠。
同步电动机原投励装置采用反时限继电器“兼作失步保护”，其原理接线如图五；而电机“过负荷”与电机“失步”是完全不同的两个概念，通过对电机失步时的示波照相分析其暂态过程，现场试验及实拍电机失步的暂态波形证明：用过负荷继电器兼作失步保护，当电机失步时，不能动作，有的虽能动作，但动作延时加长，实际上起不到保护作用。如图5所示的过流继电器原理。
同步电机的失步事故主要分为失励失步和带励失步两类。
3．1、失励失步是由于励磁系统的原因，使同步电动机的励磁绕组失去直流励磁。由于球磨机的同步电机过载力矩很大，导致同步电动机失去静态稳定，滑出同步。电机发生失励失步时，负载基本不变，定子电流增大1.5～3倍，电机声音异常，而GL型继电器主要用于起动时的电流保护，其整定值为6～7倍的额定值，所以GL型继电器拒动或动作时间过长。在此情况下失励失步一般不易被值班人员及时发现，待发现电机冒烟时，电机已失步了相当长时间，并已造成电机绕组或励磁装置的损坏。应当指出的是电机的失励失步，大多不当场损坏电机，出现电机冒烟后，停机常规检查，往往又查不出毛病，电机还能再投入运行。
由于失步运行，在阻尼绕组中就流过超过额定电流数倍至数十倍的电流，尤其是负载较重时，由于转差较大，所以流过阻尼绕组电流就更大。阻尼绕组的温升和热容量，一般是按短时工作制考虑的，由于长期流过大电流，必定会导致阻尼绕组温度过高，造成开焊、笼条断裂，甚至于阻尼绕组完全烧毁。正是在这种状况下，使得电机的寿命大为缩短。需要指出的是，电机失励失步时还会在转子回路中产生高电压，造成励磁装置主回路元件损坏，引起灭磁电阻发热，严重时甚至造成整台励磁装置烧坏。
3．2、带励失步，是由于负载突增（如球磨机胀肚），电机在运行中短时间严重欠励磁；或电机起动过程中励磁系统过早投励等原因引起的。
电机在带励失步时，励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流（包络线）强烈脉动，电机亦遭受强烈脉振，有时甚至产生电气共振和机械共振。带励失步与失励失步对电机造成的危害其性质是一样的。严重时甚至出现断轴事故。由于电机和主机是同轴运行，电机的强烈脉振，同样会波及到主机损伤，如紧固螺丝断裂等。
四、励磁系统改进对策
我公司球磨机用同步电机损坏频繁的主要原因如上述三条，其对策主要为：
1、主电路：采用无续流二极管的新型三相桥式半控整流电路（图6所示），线路简洁、可靠，通过设计合理选配灭磁电阻RF，分级整定KQ的开通电压，当电机在异步驱动状态时，使KQ在较低电压下便开通，电动机具有良好的异步驱动特性，有效地消除了原励磁屏在电机异步暂态过程中所存在的脉振，满足带载起动及再整步的要求；而当电机在同步运行状态时，KQ在过电压情况下才开通，既起到保护元器件的作用，又使电机在正常同步运行时，KQ不会误导通。
2、投励环节改进：电机在起动及再整步过程中，按照“准角强励磁整步”的原则设计。就物理概念而言，系指电机转速进入临界滑差（即原来所谓的“亚同步”），按照电机投励瞬间在转子回路中产生的磁场与定子绕组产生的磁场互相吸引力最大（即定子磁场的N极与投励后转子绕组产生的S极相吸，定子磁场的S极与投励后转子绕组产生的N极相吸）。在准角时投入强励，使吸力进一步加大，这样电机进入同步便轻松、快速、平滑、无冲击。投励时的滑差大小，可通过数字式功能开关设定；对电机滑差大小的检测，是根据装置回路内测取的转子电压波形，经采样后取得Uf，通过变换整形，变成方波，再经过光电隔离，输入电脑系统，最后准确投励。
改造后电机起动及投励过程的波形见图7
为使电机运行中励磁电压不致过高、过低或失控，在控制电路中设有1K、2K、3K功能开关。其中1K用来设定励磁电压的上限，它既作为设定励磁装置输出直流电压的上限，又作为电机起动及再整步投强励的设定值；2K用来设定电机正常运行时的励磁电压；3K用来设定励磁电压的下限。投励时，首先按1K强励设定值运行1秒钟，然后自动移至正常励磁所设定的位置上。选用的LZK-3型装置面板上有薄膜面板开关，按动上升键或下降键，可以在1K及3K所设定范围内调整励磁电压大小。
由于全部采用数字化开关及电脑控制，使装置性能稳定。完全消除采用电位器控制时存在的诸多弊端。
3、失步保护装置：其基本原理是利用同步电动机失步时，在其转子回路产生不衰减交变电流分量的特征，通过测取转子励磁回路交变电流信号，并对其波形特征进行智能分析，快速、准确判断电机是否失步。对于各类失步，不管其滑差大小，装置均能准确动作。根据具体情况，动作于灭磁、再整步，或启动后备保护环节动作于跳闸。而电机未失步，则不管其振荡多大，装置均不误动作。
其中图8（a）、（b）、（c）励磁回路已出现不衰减的交变电流信号，电机已失步，失步保护环节应快速及时动作；图8（d）是同步振荡，电机未失步，失步保护环节应不误动作。对某些旧电机或已受暗伤的电机，有时会出现转子回路开路，此时励磁回路电流突然下降至零，失步保护环节就应快速动作。本系统能根据励磁回路电流波形准确快速地分析电机是否已失步。
失步保护所取信号，是从串接在励磁回路中的分流器上测取不失真的毫伏信号。此信号经放大变换后输入电脑系统，由电脑系统直接分析，并做出判断输出。
4、失步后带载自动再整步：正常运转中的同步电动机，经装置检测，判断确认已失步后，立即动作于灭磁、异步驱动、带载再整步。
LZK-3型综合控制器中的灭磁环节，是采用断励续流灭磁，即电机失步后，立即停发触发脉冲，励磁控制继电器LCJ吸合，断开励磁接触器控制回路及励磁主回路。待整流主桥路可控硅关断后，LCJ释放，电机进入异步驱动状态。
电机一旦失步进入异步运行，必须改善电机的异步驱动特性。在电机处于异步运行状态情况下，装置自动使KQJ继电器处于释放状态，通过KQJ的常闭接点，使KQ可控硅在很低电压下便开通，以改善电机的异步驱动特性（图9所示）。
同步电动机异步起动时转子回路感应出很高的电压，此电压会直接危及电机转子的绕组绝缘，因此励磁装置要及时地在主机起动过程中串接适当的灭磁电阻。
该励磁装置起动灭磁回路中晶闸管KQ导通电压采用高、低通电压分级整定，保证主机良好的异步驱动性能，如图9所示。主机起动时，通过电阻R7、R8、稳压管DW3分压限幅将转子两端感应的高电压转换为低电压信号Uf，再经RC（不在图中）滤波、过零比较器处理、光电耦合器隔离后送至单片机系统。单片机检测到该信号和合闸接触器动作信号后，使继电器KM1处于释放状态，KQ在很低电压（约12V）下便导通，转子回路的正向电流经KQ、灭磁电阻RF流过，反向电流经二极管ZQ、RF流过，保证了正反向电流的对称性，使主机起动平稳。当主机起动结束进入同步后，微机自动让继电器KM1、KM3动作，KQ导通电压转入高通值（约250V）运行，KQ自动关断。
为避免KQ因过电压设定值太低或导通后由于整流电压较高使整流电压波形无过零点等原因关不断，或因运行中由于某种原因误导通，造成RF长时间通电发热烧坏，在装置内设有KQ误导通检测电路。若KQ未导通，在KQ与RF回路中，直流励磁电压全部降在KQ上，RF两端无过电压，处于冷态；一旦出现KQ导通后，直流励磁全部降落在RF上，继电器KM2线圈得电吸合，其动合触点闭合，电脑系统接收到KQ误导通信号后，先停发200ms脉冲，使整流电路转入失控状态，KQ在电流波形过零点自然关断。若关不断，电脑指令继电器KM4（不在图中）动作，通过触点接通报警回路，电铃响起，并在液晶面板上使用汉字显示“KQ误导通”，提请现场值班人员检查处理。
经改造后，电机在起动过程，转子电流If波形曲线趋向平滑，KQ两端的电压U1一直为零，无任何尖端和毛刺，说明灭磁晶闸管导通非常及时，起动回路特性很好。投励后U1自动转为正常励磁电压，KQ已自动关断。
当供电系统出现“自动重合闸”、“备用电源自切”或“人工切换电源”时，将出现电能输送渠道的短暂中断。为防止电源恢复瞬间可能造成的“非同期冲击”，由防冲击检测环节送给本装置一对接点FCJ。电脑接收到FCJ接点信号后，将同样动作于灭磁、异步驱动、带载再整步。
5、后备保护环节：在同步电机或励磁装置出现再整步不成功、电机起动后或失步后长时间不投励、电机在投励后拉不进同步、起动时间过长或熔断器、可控硅、二极管、整流变压器损坏等故障，使电机无法正常运行时；为保证电机及励磁装置安全，装置中特设了一个后备保护环节，动作于跳闸停机。后备保护动作跳闸后，控制面板上留有“后备保护动作”信号，也便于分析和记录。
6、可控硅误导通检测：设计时采取了对KQ可控硅的开通电压实行分级整定，即电机在起动过程及失步后的异步驱动暂态过程中，为改善电机的异步驱动特性，使KQ在很低电压下便开通；而当电机进入同步后，KQ开通电压设定值较高，主要是为了保护电机，保护可控硅、二极管，防止过电压，因此，仅在出现过电压情况下开通。
为避免KQ可控硅因过电压设定值太低，或开通后关不断，造成灭磁电阻RF长时间通电而过热，装置内设有KQ误导通检测装置，若KQ未导通，在KQ与RF回路，直流励磁电压全部降落在KQ上，在灭磁电阻RF两端无电压，灭磁电阻RF处于冷态；一旦出现KQ导通后，直流电压降落在灭磁电阻上，装置内继电器RFJ线圈得电吸合（见图9），其接点信号输入电脑系统，电脑接收到KQ导通信号（即RFJ接点信号）后，对于因过电压引起的导通，电脑系统指令其过电压消失后自动关断。对因电压设定值太低造成的KQ误导通，或导通后关不断，电脑指令控制报警继电器BXJ闭合，通过其接点接通报警回路，并控制面板上“KQ误导通”信号指示灯亮，发出声光信号提请操作人员检查处理。
7、失控检测系统：由于外部因素，如触发脉冲回路断线或接触不良，造成脉冲丢失，控制回路同步电源缺相或消失，主回路元件损坏（如熔断器熔断）造成主回路三相不平衡、缺相运行，但未造成电机失步（若失步，则由失步再整步回路或后备保护环节处理），装置能及时检测到，若10秒钟后故障仍未消除，装置就控制报警继电器BXJ闭合，通过其接点，接通报警回路，并控制面板上的“失控”信号指示灯亮，发出声光信号。
失控或缺相检测，基本原理是利用电机进入同步后的正常运行情况下，对直流励磁电压波形特征进行分析，图10是几种典型的励磁电压波形，图10（a）、（b）为正常运行，图10（c）为缺相运行，图10（d）为失控运行。
当控制器检测到电机出现失步、励磁装置出现KQ可控硅误导通、失控或由控制器后备保护环节动作于电机跳闸时，控制器面板上分别备有各自的指示灯。按复归按钮，指示灯复位。其中KQ可控硅误导通、失控，除有灯光信号外，电脑还控制报警继电器吸合，由BXJ接点接通音响报警回路。按复位按钮，报警继电器BXJ复位。
五、技术改造后的效果
1.同步电动机励磁装置改造后，在异步驱动过程中平滑、快速，完全消除了采用老式励磁屏在电机异步暂态过程中所存在的脉振，满足了带载起动及再整步的要求；其投励按照“准角强励整步”的原则设计，具有强励磁整步的功能，电机拉入同步的过程平滑、快速、可靠，大大减小了对电机的冲击，也确保了同步电机的安全可靠运行；其先进完善可靠的带励失步、失励失步保护系统，也保证了同步电动机在发生带励失步和失励失步时，快速动作，保护电机，使电机免受损伤。这一技术改造措施，使我公司6KV高压同步电动机及励磁屏故障率、维修量显著降低，经过3年运行考验，受到基层维护人员的一致好评和充分肯定。
2.由于采用了先进的电脑控制技术，所有控制过程均自动处理，面板采用新型薄膜按键，具有完整、直观的信号显示系统，当电机出现失步，再整步后备保护跳闸、励磁出现失控、装置是否运行正常等均有信号指示；核心部件同步电动机综合控制器也能指示自身是否发生故障，且具有不停机不减载，不损伤电机的情况下从容在线更换的功能，使整个操作更方便，性能也更稳定可靠，有利于运行操作人员的使用和监控。
3.由于交流电网上的主要负荷是异步电机和配电变压器等感性负载，它们都需要从电网吸收无功功率。根据同步电机的性质（容性负载），如使其工作在过励状态，将滞后的无功功率发送给电网，可改善系统电网的功率因数。选用的LZK3型励磁装置设置了闭环恒功率因数调节，通过功率因数变送器，将主机运行时的功率因数转换为标准电信号，经过输入/输出板处理后给电脑系统采样参数与设定数值进行比较后，使用软件实现PID调节，这样不管电机负载如何变化，励磁装置都能自动跟踪调节，保持恒功率因数运行，减少电机的定、转子、整流变压器的损耗，与老式励磁装置相比真正意义上实现了同步电动机的最佳经济运行。
| 公司名称： | 湘潭电机厂 |
| 联 系 人： | 胡经理 |
| 联系电话： | 0731-58626841 |
| 手 机： | 13367420761 |
| 公司邮箱： | xtmotor2010@gmail.com |
| 公司网址： | http://www.cbtob.com http://www.xtmotor.cn |
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