摘要：本文通過對煉鐵1#高爐TRT同步發(fā)電機幾次端電壓失壓的故障現(xiàn)象，闡述了該故障產(chǎn)生的各種原因及分析處理辦法，最后使發(fā)電機組得以順利運行。同時將這些實例記錄下來權(quán)當(dāng)引玉之舉，以促進(jìn)同行之間相互學(xué)習(xí)與交流。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機  勵磁系統(tǒng)  PT柜  滅磁電阻單元

1  前言

節(jié)約能源是當(dāng)今世界的一種重要社會意識，是指盡可能的減少能源的消耗、增加能源的利用率的一系列行為。而作為企業(yè)的具體做法，則是將一切可利用的能源——如余壓、余熱等白白被消耗的能量進(jìn)行回收，通過同步發(fā)電機組轉(zhuǎn)換成清潔的電力能源，從而達(dá)到降本增效、清潔能源的經(jīng)濟目的和社會目的。

在現(xiàn)實應(yīng)用中，自發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的體系，從使用到的能源介質(zhì)來看，包括了水、電、風(fēng)、氣、油；從包含的子系統(tǒng)來看，一般有渦輪主機、閥門系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、電液伺服控制系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等，除此之外余熱自發(fā)電還包括鍋爐系統(tǒng)、補燃爐系統(tǒng)等。但無論是壓力能，還是熱能，其基本模式是通過控制這些能量驅(qū)動渦輪機旋轉(zhuǎn)，帶動同軸的發(fā)電機，利用電磁感應(yīng)的原理，最后產(chǎn)生電能。（感覺前言部分一方面要介紹能源介質(zhì)發(fā)電背景，另一方面要簡單引出“端電壓失電”的話題，與題目呼應(yīng)。）

2  同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及特性

同步發(fā)電機是一種最常用的交流發(fā)電機，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同的交流發(fā)電機。在現(xiàn)代電力工業(yè)中，它廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電、柴油機發(fā)電及余能發(fā)電等場所。按結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)電樞和旋轉(zhuǎn)磁場兩種。

通常大多數(shù)同步發(fā)電機屬于旋轉(zhuǎn)磁極式，即磁極在轉(zhuǎn)子上、電樞在定子上。其中從轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)又可分為隱極式和凸極式：隱極式的繞組為分布式結(jié)構(gòu)，多應(yīng)用在3000轉(zhuǎn)/分的高速同步發(fā)電機上，如蒸汽渦輪機、煤氣余壓渦輪機等機組；凸極式的繞組為集中式結(jié)構(gòu)，多應(yīng)用在中、低速的同步發(fā)電機上，如水輪機、風(fēng)輪機的機組等。我廠的幾臺同步發(fā)電機組都屬于高速同步發(fā)電機。

而旋轉(zhuǎn)電樞式的同步發(fā)電機，其磁極在定子上、電樞在轉(zhuǎn)子上。應(yīng)用場合一般在小容量發(fā)電機或者是某些特殊場合，比如發(fā)電機組同軸旋轉(zhuǎn)的主勵磁機就屬于這種類型。

表征同步發(fā)電機性能的主要是空載特性和負(fù)載運行特性，這些特性是用戶選用發(fā)電機的重要依據(jù)。由于端電壓失壓的現(xiàn)象是并網(wǎng)前發(fā)電機空載運行時的故障現(xiàn)象，在此只討論空載特性。

發(fā)電機不接負(fù)載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時發(fā)電機定子的三相繞組只有勵磁電流If感生出的空載電動勢E0（三相對稱），其大小隨If的增大而增加（在額定值范圍內(nèi)基本成線性比例關(guān)系）。但是隨著勵磁電流進(jìn)一步增大，發(fā)電機磁路鐵心開始有飽和現(xiàn)象，二者的關(guān)系就開始不成正比（如圖3）。反映空載電動勢E0與勵磁電流If關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機的空載特性。

3  勵磁系統(tǒng)的分類及組成

同步發(fā)電機為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個直流磁場，而產(chǎn)生這個磁場的直流電流，稱為發(fā)電機的勵磁電流。按勵磁電流的供給方式可分為有刷同步發(fā)電機勵磁方式和無刷同步發(fā)電機勵磁方式。

通常有刷同步發(fā)電機是在凸極式轉(zhuǎn)子上應(yīng)用，其特點是轉(zhuǎn)子的勵磁電流通過同軸旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)與碳刷接觸直接由外部整流控制柜供給，適用于中、低轉(zhuǎn)速且無防燃防爆要求的場所，如水輪發(fā)電機組；其優(yōu)點是勵磁方式簡單，缺點是因為碳刷要承受大電流，刷架和碳刷的數(shù)目自然就很多，因此也造成其維護量很大。

而無刷同步發(fā)電機勵磁方式又分為三種：

3.1  自并勵勵磁方式

如圖4所示，GS是旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機，起發(fā)電作用；EXC是主勵磁機，同時也是一臺旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機，主要起將勵磁電流進(jìn)行擴大的作用；這兩者之間帶方框二極管符號的是旋轉(zhuǎn)整流器（三相全波橋整），主要是將主勵磁機的電樞發(fā)出的三相交流電整成直流，提供給同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)磁極激勵。虛線框內(nèi)的部件隨整個軸系同步旋轉(zhuǎn)，從而取代了集電環(huán)節(jié)。

整個勵磁環(huán)節(jié)中，勵磁裝置是控制中心，其勵磁電源通過勵磁變壓器T1從發(fā)電機機端取得，所以稱其為自并勵勵磁方式，但正是由于這種方式（電源取至自發(fā)電源），在還沒有發(fā)電時，初始勵磁建立不起來，因此還要有一套起勵裝置。通常這種方式只適用于沒有電力網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

機端是否有電壓、電流產(chǎn)生，則靠TV2（勵磁電壓互感器，必配）或者是TV1（儀用電壓互感器，選配）來檢測機端電壓，TA（機端電流互感器，必配）來檢測機端電流。

3.2  廠用AC400V電源他勵勵磁方式

如圖5所示，這種勵磁方式除了勵磁電源不同外——是從廠用的低壓供配電系統(tǒng)提供的，其它結(jié)構(gòu)與自并勵勵磁方式相同。我廠燒結(jié)18MW同步發(fā)電機和焦化兩臺15MW同步發(fā)電機的勵磁方式采用的都是這種勵磁方式。

3.3  永磁副勵磁機他勵勵磁方式

如圖6所示，這種勵磁方式又發(fā)生了一點變化，其勵磁電源不依靠廠用低壓供配電系統(tǒng)，而是增加了一套永磁副勵磁機（PMG）發(fā)出三相交流電提供給勵磁裝置作為電源。其優(yōu)點是勵磁電源不受廠用電源的影響，進(jìn)一步提高了勵磁系統(tǒng)的安全性。煉鐵1#TRT和2#TRT同步發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)采用的都是這種勵磁方式。

4  端電壓失壓的故障現(xiàn)象及處理

同步發(fā)電機在原動機的帶動下，其端電壓為零或是投勵后達(dá)不到額定值的95%，都屬于端電壓失壓現(xiàn)象。但是造成端電壓失壓的原因卻是多種多樣的：有轉(zhuǎn)子勵磁回路短路或斷路的，有勵磁機鐵芯消磁的，有PT斷線的，有勵磁裝置問題的……下面將根據(jù)一些實例來具體分析。

4.1  轉(zhuǎn)子勵磁回路短路引起的端電壓失壓

2016年5月份，煉鐵1#TRT系統(tǒng)計劃檢修，同步發(fā)電機組進(jìn)行現(xiàn)場拆解清洗的維護保養(yǎng)工作。檢修完成后準(zhǔn)備投運，在沖轉(zhuǎn)過程中，機端電壓表的讀數(shù)一直為零，當(dāng)發(fā)電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后啟動投勵，機端電壓表讀數(shù)仍舊為零，勵磁裝置報“勵磁PT斷線”故障，同時封鎖勵磁的輸出。

根據(jù)勵磁裝置報出的故障，待機組靜止下來，檢查勵磁PT柜，電壓互感器一次側(cè)和二次側(cè)保險都完好，各接線端子無短路、斷路、接觸不良的情況，而且檢修過程中，勵磁PT柜并沒有動過，應(yīng)該不會突然出問題。初步分析：有可能是發(fā)電機沒有進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，機端電壓本來就沒有建立起來；進(jìn)一步往前推導(dǎo)，機端電壓建立不起來，說明發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁極沒有建立，磁極沒有建立是因為繞組中沒有激磁電流通過，激磁電流沒有很可能是勵磁機在回裝過程中有某些地方裝配有問題。

根據(jù)初步分析，對勵磁機進(jìn)行重新解體測量：因為旋轉(zhuǎn)整流器將勵磁機發(fā)出的三相交流電整成直流后，是通過軸內(nèi)的導(dǎo)電桿將直流勵磁電流傳遞給轉(zhuǎn)子磁極繞組的，這中間有一對絕緣檢測滑環(huán)各自并聯(lián)在正負(fù)極上（如圖7所示）。而檢測中發(fā)現(xiàn)，兩個連接片都接到一個滑環(huán)上了，因此造成了轉(zhuǎn)子勵磁回路短路的故障，轉(zhuǎn)子磁極繞組沒有激磁電流流過，所以發(fā)電機就沒有端電壓出現(xiàn)。將連接片按正確的方式連接后，發(fā)電機端電壓恢復(fù)了正常。

4.2  勵磁機磁極鐵芯消磁引起的端電壓失壓

2017年12月份，煉鐵1#TRT同步發(fā)電機勵磁機因前期“飛車”事故，大修后重新投運，在啟機沖轉(zhuǎn)的過程中，機端電壓表的讀數(shù)一直為零，額定轉(zhuǎn)速后啟動投勵，讀數(shù)仍沒有變化，同時勵磁裝置馬上報出“勵磁PT斷線和勵磁故障”的信息，并封鎖勵磁輸出。

初步分析：因為勵磁機大修過，除了勵磁小軸沒有更換，所有的鐵芯、繞組都更換過，而且出廠時都做過電氣試驗，也都合格。通常發(fā)電機在沖轉(zhuǎn)過程中，即便不投勵磁，因為勵磁機的磁極鐵芯被“磁化”，機端仍舊可以出現(xiàn)幾百伏的電壓。大修過的勵磁機，磁極鐵芯是新制造的，沒有被“磁化”過，而且“磁化”是需要施加一定電流達(dá)到其磁化時間。

根據(jù)分析，將勵磁裝置切換到“手動”狀態(tài)，強行給磁（其間勵磁裝置仍報故障），經(jīng)過3次給磁→勵磁被封鎖→再給磁，機端電壓表終于見到壓。但是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，機端電壓只有額定電壓值的60%―70%，達(dá)不到并網(wǎng)的要求。與發(fā)電機廠家的設(shè)計人員溝通，會不會是返廠修復(fù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子后，對變形的槽口、槽楔經(jīng)過車削，更換了新護環(huán)（因重新加工了轉(zhuǎn)子鐵芯槽口部位，新護環(huán)比原設(shè)計要長30mm，材料為不導(dǎo)磁材料），從而改變了發(fā)電機的空載特性？設(shè)計人員表示不存在這種因素。又與勵磁裝置廠家的技術(shù)人員溝通，看能否提供一個暫時解決問題的辦法？勵磁裝置廠家技術(shù)人員計算后答復(fù)，將勵磁調(diào)節(jié)器中“空載勵磁電流”參數(shù)由1.5安培增加到2.0安培，消除“欠勵”的現(xiàn)象。將參數(shù)更改生效后，發(fā)電機機端電壓恢復(fù)正常。

4.3  勵磁裝置問題引起的端電壓失壓

因為上次端電壓失壓的根本原因并沒有真正查找出來，在運行的幾天時間內(nèi)，對比2#TRT勵磁柜與1#TRT勵磁柜的工況時發(fā)現(xiàn)，打開1#TRT勵磁柜后面的柜門后，明顯有一股熱浪傳出來，檢查溫度的來源是其中一個電阻片異常發(fā)熱（如圖8所示）。

與勵磁裝置廠家取得聯(lián)系，將勵磁裝置的《用戶手冊》和《產(chǎn)品圖冊》發(fā)過來，通過閱讀兩本圖冊，該元件為“滅磁電阻單元AR1”中的滅磁電阻R4。而“滅磁電阻單元”在正常給勵的情況下，是不參入工作的，因此滅磁電阻R4上基本無工作電流流過，也不會產(chǎn)生高的溫度。溫度過高就說明有工作電流流過，那么與其串聯(lián)的二極管V1可能被擊穿（如下圖9所示）。由于“滅磁電阻單元”與勵磁繞組是并聯(lián)的關(guān)系，勵磁功率單元給出的勵磁電流被分流，使得勵磁繞組上實際流過的電流變小，發(fā)電機表現(xiàn)為“欠勵”現(xiàn)象，所以發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下啟勵，機端電壓達(dá)不到額定值。

購回新的二極管，待1#TRT檢修停機的機會，進(jìn)行了更換，同時將勵磁調(diào)節(jié)器的“空載勵磁電流”參數(shù)由2.0安培恢復(fù)到1.5安培（避免勵磁系統(tǒng)恢復(fù)原狀后，投勵時發(fā)生過勵的現(xiàn)象）；對更換下來的二極管用萬用表進(jìn)行檢測，確定已經(jīng)被擊穿（屬于上次“飛車”事故后對元器件造成的損壞）。檢修完成后，發(fā)電機沖轉(zhuǎn)，有機端電壓顯現(xiàn)；達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后啟動投勵，機端電壓很快達(dá)到額定電壓值。

5  結(jié)束語

自發(fā)電是一個系統(tǒng)而又復(fù)雜的體系，當(dāng)我們遇到故障時，需要視具體的現(xiàn)象，逐步小心排查，直至恢復(fù)系統(tǒng)正常；但當(dāng)技術(shù)力量缺乏時，不可冒進(jìn)，而應(yīng)該迅速與廠家專業(yè)技術(shù)人員取得聯(lián)系，以獲得技術(shù)上的支持。特別是TRT自發(fā)電系統(tǒng)，其動力源介質(zhì)是來至高爐的高壓煤氣，危險性不言而喻。因此在我們的日常工作當(dāng)中，唯有兢兢業(yè)業(yè)、抱著如履薄冰的謹(jǐn)慎態(tài)度，在保證安全的基礎(chǔ)上達(dá)成最大的經(jīng)濟效益與社會效益。