特約撰稿人：西馬力工業(yè)集團 史光

南陽防爆集團 歐華權(quán) 李巖峰

應(yīng)用新技術(shù)診斷大型同步電機轉(zhuǎn)子繞組故障

特約撰稿人：西馬力工業(yè)集團 史光

南陽防爆集團 歐華權(quán) 李巖峰

核心提示 本文對某石化企業(yè)高壓同步電機轉(zhuǎn)子繞組故障檢測進行了說明和問題分析，介紹其修理方案和檢測轉(zhuǎn)子繞組的過程。為今后進行同類同步電機轉(zhuǎn)子繞組故障檢測、故障修理的工作提供了很好的借鑒作用。

電機是工業(yè)廠礦最重要的主設(shè)備之一，其制造、修復(fù)質(zhì)量將影響到設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，關(guān)系到國計民生。現(xiàn)對某進口同步電機轉(zhuǎn)子繞組情況進行分析，并對其修理方案進行介紹，以供參考。

同步電機與異步電機的區(qū)別

異步電機(感應(yīng)電機)的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒有這個差值，即轉(zhuǎn)差率，就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流)，也因此叫做異步電機：而同步電機轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生)，定子旋轉(zhuǎn)磁場"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速，也因此叫做同步電機。

同步電機三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的繞組時，要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速完全一致，就是同步電機;如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場轉(zhuǎn)速，也就是說兩者不同步，就是異步電機。異步電機結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。同步電機要求轉(zhuǎn)子有固定的磁極(永磁或電磁)，如交流發(fā)電機和同步交流電動機。電機的轉(zhuǎn)速(定子轉(zhuǎn)速)小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，從而稱異步電機。它和感應(yīng)電機基本上是相同的。

同步電機和感應(yīng)電機（即異步電機）一樣是一種常用的交流電機。同步電機是電力系統(tǒng)的心臟，它是一種集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化與機械運動于一體，實現(xiàn)電能與機械能變換的元件，其動態(tài)性能十分復(fù)雜，而且其動態(tài)性能又對全電力系統(tǒng)的動態(tài)性能有極大影響。特點是：穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系，稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負載的大小無關(guān)。

廠礦作為電動機時，大部分用異步機，發(fā)電機都是同步機。

同步電機特點

同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機以同步發(fā)電機為主，其特點除了電機運行轉(zhuǎn)速是固定的同步轉(zhuǎn)速外，對于電機結(jié)構(gòu)方面，轉(zhuǎn)子一般是繞組環(huán)繞成轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)磁極，

主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。

同步電機結(jié)構(gòu)模型

載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。

切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。

交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。

某化工廠同步電機轉(zhuǎn)子繞組與定子輕微掃膛，轉(zhuǎn)子繞組損傷檢測

一般性同步電機轉(zhuǎn)子繞組試驗

一、測量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。

二、測量轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻。

三、轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗。

四、測量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗（無刷勵磁機組，無測量條件時，可不測量）。

*測量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1.轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值不宜低于0.5MΩ。

2.當(dāng)定子繞組絕緣電阻已符合啟動要求，轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻值不低于2000Ω時，可允許投入運行。

3.在電機額定轉(zhuǎn)速時超速試驗前、后測量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。

4.測量絕緣電阻時采用兆歐表的電壓等級：當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組額定電壓為200V以上，采用2500V兆歐表；200V及以下，采用1000V兆歐表。

5.試驗周期：①小修時；②大修中轉(zhuǎn)子清掃前、后。

6.試驗要求：絕緣電阻值在室溫時一般不小于0.5MΩ。

注：采用1000V兆歐表測量。

*測量轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1.應(yīng)在冷狀態(tài)下進行，測量時繞組表面溫度與周圍空氣溫度之差應(yīng)在±3℃的范圍內(nèi)。測量數(shù)值與產(chǎn)品出廠數(shù)值換算至同溫度下的數(shù)值比較，其差值不應(yīng)超過2%。

2.顯極式轉(zhuǎn)子繞組，應(yīng)對各磁極繞組進行測量；當(dāng)誤差超過規(guī)定時，還應(yīng)對各磁極繞組間的連接點電阻進行測量。

3.試驗周期：大修時。

*轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1.整體到貨的顯極式轉(zhuǎn)子，試驗電壓應(yīng)為額定電壓的7.5倍，且不應(yīng)低于1200V。

2.工地組裝的顯極式轉(zhuǎn)子，其單個磁極耐壓試驗應(yīng)按制造廠規(guī)定進行。

組裝后的交流耐壓試驗，應(yīng)符合下列規(guī)定。

額定勵磁電壓為500V及以下電壓等級，為額定勵磁電壓10倍，并不應(yīng)低于1500V。

額定勵磁電壓為500V以上，為額定勵磁電壓的2倍加4000V。

3.試驗周期：大修時。

4.試驗要求：與初次(交接或大修)所測結(jié)果比較，其差別一般不超過2%。注：在冷態(tài)下進行測量。

5.顯極式轉(zhuǎn)子繞組還應(yīng)對各磁極線圈間的連接點進行測量。

*轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗：轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗（無刷勵磁機組，無測量條件時，可不測量）：

1.試驗周期：大修時。

2.試驗要求：阻抗和功率損耗值自行規(guī)定。

在相同試驗條件下與歷年數(shù)值比較，不應(yīng)有顯著變化。

繞組泄漏電流試驗

*試驗周期：1～3年或自行規(guī)定、必要時。

*試驗要求試驗電壓一般如下：

繞組額定電壓kV: 3 6～10 20～35 66～330 500直流試驗電壓kV: 5 10 20 40 60

與前一次測試結(jié)果相比應(yīng)無明顯變化。注：讀取1min時的泄漏電流值。

局部放電測量

*試驗周期：大修后(220kV及以上)；更換繞組后(220kV及以上、120MVA及以上)。

*試驗要求：在線端電壓為時，放電量一般不大于500pC；在線端電壓為時，放電量一般不大于300pC。

傳統(tǒng)檢測工具的局限性

*直阻測量：沿用上世紀(jì)60、70年代的直阻測量，技術(shù)陳舊、手段單一。

*絕緣測試：搖表，雙橋，萬用表，設(shè)備功能簡單，故障分析有限。

*高壓試驗：耐壓試驗/泄漏電流/吸收比/極化指數(shù)，設(shè)備笨重，只能在試驗臺檢測。

MCA靜態(tài)電路分析技術(shù)

*試驗指標(biāo)：更多的停留在簡單的評價絕緣好壞，只能模糊評價一個指標(biāo)。

設(shè)備好壞的狀態(tài)級別，哪方面的故障問題？壽命趨勢分析，不能給出量化指標(biāo)。

1.電機的空載運行測試，并不能給出電機帶負荷運行的狀態(tài)評判。

2.電機整體耐壓試驗，雖然能保證電機空載運行，也不能解決局部繞組匝間短路的問題。

3.電機繞組耐壓試驗，具有一定的二次破壞性，加深早期故障的嚴重性。

4.電機定子、轉(zhuǎn)子繞組，隨著絕緣進一步劣化，繞組的表面的污染指標(biāo)很難評估。

電機各項檢查數(shù)據(jù)繁多，檢修記錄數(shù)值簡單，很難做到繞組早期故障判斷和壽命評估分析。電機檢測檢修過程，僅停留在對電機各繞組絕緣電阻數(shù)值檢測，難以發(fā)現(xiàn)早期故障隱患。電機繞組冷態(tài)直流電阻的測定，不能解決繞組匝間短路的問題。用雙臂電橋測量相間電阻，還要換算25℃時阻值，并計算三相電阻不平衡小于±3%，筆錄記錄。工作任務(wù)繁瑣，臺賬記錄結(jié)果僅限于電子或紙質(zhì)臺賬。

同步電機轉(zhuǎn)子繞組測試位置和方法

繞組匝間短路問題的核心技術(shù)——MCA靜態(tài)電路分析。

*全面代替：傳統(tǒng)檢測手段。

歐姆表/毫歐表；絕緣電阻計（DA/ PI）；高壓絕緣測試儀；LCR測試儀；浪涌測試儀。

*全面分析定、轉(zhuǎn)子繞組故障。

*測試方法：

將同步電機轉(zhuǎn)子繞組接線打開，墊好絕緣墊片。

*測試位置：

將同步電機轉(zhuǎn)子繞組接線打開后，測試每個轉(zhuǎn)子繞組極包繞組兩端。

*測試數(shù)據(jù)分析：

電機加裝絕緣墊片

測試繞組兩端

將同步電機轉(zhuǎn)子30個轉(zhuǎn)子繞組極包測試數(shù)據(jù)對比分析。

*具體數(shù)據(jù)圖表：

1.測試數(shù)據(jù)柱狀圖。

2.測試數(shù)據(jù)曲線圖。

測試結(jié)論：該同步電機轉(zhuǎn)子，30個單獨繞組的參數(shù)：直阻、電感、電抗、相角度、I/F試驗值等偏差均在1。5%內(nèi)，繞組沒有發(fā)現(xiàn)匝間短路現(xiàn)象，各項指標(biāo)正常，轉(zhuǎn)子繞組處于良好狀態(tài)。

轉(zhuǎn)子繞組極包測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)柱狀圖

測試數(shù)據(jù)曲線圖

同步電機轉(zhuǎn)子繞組檢測時，除采取的傳統(tǒng)修理方案，增加有效的低壓繞組匝間檢測手段也是行之有效的，從而避免了定子繞組相間短路的嚴重后果和重大的經(jīng)濟損失。同時也讓我們認識到了對同步電機轉(zhuǎn)子繞組全面檢查、低壓MCA試驗分析的必要性，以及對正在制造尚未出廠的發(fā)電機加強監(jiān)造的重要性。