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交流發(fā)電機不發(fā)電或者電壓過(guò)高的成因分析

 

前言：作為電氣系統的主要電源，三相同步交流發(fā)電機已廣泛應用于柴油發(fā)電機，發(fā)電機使用過(guò)程中可能發(fā)生不發(fā)電、輸出電壓過(guò)低、過(guò)高和電壓不穩等故障，導致故障的原因主要是發(fā)電機皮帶張緊力過(guò)小、電壓調節器出現故障、發(fā)電機內部二極管出現故障、激磁繞組部分短路、三相繞組出現故障和導線(xiàn)連接不良等。故障柴油發(fā)電機組的工作環(huán)境多為港口、化工廠(chǎng)、礦場(chǎng)等高硫高腐蝕地域。本文中結合故障的具體案例，逐層分析，研究故障的原因并提出解決方案。

   

一、發(fā)電機原理

 

      同步發(fā)電機是一種最常用的交流發(fā)電機。在現代電力工業(yè)中，它廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機發(fā)電。由于同步發(fā)電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時(shí)，通過(guò)調節勵磁電流，能方便地調節發(fā)電機的電壓。若并入電網(wǎng)運行，因電壓由電網(wǎng)決定，不能改變，此時(shí)調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無(wú)功功率。 同步發(fā)電機的定子、轉子結構與同步電機相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發(fā)電機中電樞繞組采用單相。表征同步發(fā)電機性能的主要是空載特性和負載運行特性。這些特性是用戶(hù)選用發(fā)電機的重要依據 。其外形如圖1所示，結構原理如圖2所示。

1、工作原理

      同步發(fā)電機的基本工作原理包含以下幾個(gè)方面。

（1）磁場(chǎng)的建立

      發(fā)電機運行時(shí)，勵磁繞組通過(guò)直流勵磁電流，建立極性相同的勵磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。

（2）切割運動(dòng)

      柴油機拖動(dòng)轉子旋轉，機型形同的勵磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組的過(guò)程。

（3）載流導體

      發(fā)電機運行后，三相對稱(chēng)的電流組充當功率繞組，稱(chēng)為感應電動(dòng)勢或者感應電流的載體。

2、電動(dòng)勢的產(chǎn)生

      同步發(fā)電機的工作原理是實(shí)際上就是電磁感應原理。通過(guò)轉子磁場(chǎng)和定子繞組的相對運動(dòng)，將機械能轉變?yōu)殡娔?。當轉子在原動(dòng)機的帶動(dòng)下，轉子磁場(chǎng)和定子導體做相對運動(dòng)，即導體切割磁路線(xiàn)，因此在導體中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，其方向可根據u右手定則判斷。由于轉子磁極的位置是導體以垂直方向切割磁力線(xiàn)。所以此時(shí)定子繞組中的感應電動(dòng)勢最大，當磁極轉動(dòng)90度時(shí)，磁極成水平位置，導體不切割磁力線(xiàn)，器感應電動(dòng)勢為零。轉子在轉90度，定子繞組感應電動(dòng)勢又以垂直方向切割磁力線(xiàn)，使感應電動(dòng)勢達到最大值，但方向與前相反。當轉子再轉90度。感應電動(dòng)勢又為零。這樣轉子轉動(dòng)一周，定子繞組的感應電動(dòng)勢也發(fā)生正，負變化。如果轉子連續均勻旋轉，在定子繞組中就會(huì )感應出一個(gè)周期性不斷變化的交流電動(dòng)勢，通過(guò)引出線(xiàn)，即可輸出交流電流。

 

圖1  斯坦福無(wú)刷交流發(fā)電機外形示意圖

圖2  交流同步發(fā)電機結構圖

 

 

二、故障描述及分析

 

      故障發(fā)電機表現為發(fā)電機遭受腐蝕，發(fā)電機不發(fā)電或者輸出電壓偏高，通過(guò)排查、更換發(fā)電機后故障排除。經(jīng)檢查，故障發(fā)電機內部腐蝕較為嚴重，但是不能確認是否腐蝕為造成該故障的主要原因，需要研究并確定故障原因以消除存在的質(zhì)量隱患。

1、發(fā)電機故障現象及初步原因分析

      對發(fā)電機損壞現象發(fā)生較集中的港口、化工廠(chǎng)、礦場(chǎng)等高硫高腐蝕地域進(jìn)行了初步分析，發(fā)電機的故障現象及原因見(jiàn)表對故障發(fā)電機進(jìn)行拆檢并更換故障零部件，再次測試結果顯示發(fā)電機性能正常，礦場(chǎng)反饋的已損壞發(fā)電機調節器如圖2所示。故障發(fā)電機復測結果如圖3所示。拆檢及復測結果顯示柴油發(fā)電機組發(fā)電機故障的主要原因如下：

（1）發(fā)電機整流橋內部腐蝕或調節器內部腐蝕致開(kāi)路，導致發(fā)電機無(wú)法發(fā)電或者發(fā)電機電壓過(guò)高。

（2）整流橋在高硫高腐蝕的工作環(huán)境下的抗腐蝕能力不足。

（3）雖然已經(jīng)對調節器內部進(jìn)行過(guò)防腐蝕處理，但是在極端工作環(huán)境下，仍然存在較高的失效風(fēng)險。

 

圖3  拆檢及復測結果

2、實(shí)物拆檢與失效模式分析

      對失效的發(fā)電機調節器拆解后發(fā)現，調節器內部電路發(fā)生了硫化現象，硫化失效器件的典型外觀(guān)就是電極與環(huán)氧樹(shù)脂交匯處有黑色析出物，失效器件表面的黑色析出物如圖4所示。采用能量色散X射線(xiàn)光譜儀并結合掃描電子顯微鏡對具有黑色析出物的樣品進(jìn)行微區成分分析。能量色散X射線(xiàn)光譜儀分析顯示，失效樣品中有硫化銀Ag2 S，一種黑色非導電物質(zhì))產(chǎn)生。據此推測，外部高硫環(huán)境中硫元素浸入調節器內部，與導體合金中的銀產(chǎn)生化學(xué)反應，生產(chǎn)黑色的Ag2S，最終致使電路開(kāi)路，發(fā)電機調節器失效，發(fā)電機無(wú)法發(fā)電。經(jīng)市場(chǎng)調查，反饋硫化失效地區為化工礦場(chǎng)，使用環(huán)境含硫較多，使用的環(huán)境比較惡劣，這為發(fā)電機的硫化提供了基礎。由于發(fā)電機調節器表面涂覆的三防膠材料是硅膠，而硅膠是發(fā)達的微孔結構，容易吸附硫，這又大大加速硫化物的生成。

 

三、改進(jìn)方案及驗證

 

      通過(guò)以上分析，雖然發(fā)電機的調節器內部已進(jìn)行防腐蝕處理，但發(fā)電機失效原因仍為多功能調節器在外部高硫環(huán)境下應用，調節器內部發(fā)生硫化現象造成斷路失效。針對該問(wèn)題，將發(fā)電機的調節器及發(fā)電機的整流器單板組件涂覆材料更改為具有抗硫化功能的三防膠，更改三防膠材料前后的調節器如圖6所示。同時(shí)，完善硫化反應可靠性測試標準，以便更準確評估產(chǎn)品的抗硫化腐蝕能力。對改用抗硫化三防膠之后的發(fā)電機調節器進(jìn)行抗硫化評估對比試驗，更改三防膠材料前后的試驗結果如圖7所示。
      試驗結果表明，改用抗硫化三防膠，在可保證15.2 mg/m3的硫化氫(H2 S)氣體環(huán)境中進(jìn)行196 h的腐蝕試驗后，無(wú)明顯腐蝕，符合設計要求。使用抗硫化三防膠的發(fā)電機已正式更換，并將改進(jìn)后的抗硫化調節器發(fā)往故障發(fā)生比較集中的地區進(jìn)行驗證，更換調節器后沒(méi)有再出現類(lèi)似故障，該問(wèn)題得到了徹底解決。
      針對某型發(fā)電機頻繁失效的故障案例，結合柴油發(fā)電機組的工作環(huán)境，對發(fā)電機調節器的失效樣品進(jìn)行由淺及深的剖析，確定失效的根本原因為硫化失效，并有針對性地提出改進(jìn)優(yōu)化方案，通過(guò)試驗驗證改進(jìn)方案的有效性，為其他零部件的設計與故障分析提供參考。結合柴油發(fā)電機組的工作環(huán)境，分析得出了此次發(fā)電機失效原因為多功能調節器在外部高硫環(huán)境下，調節器內部發(fā)生硫化現象，造成斷路失效，并提出了相應的解決措施，試驗結果及市場(chǎng)驗證表明整改措施切實(shí)有效。鑒于柴油發(fā)電機組的作業(yè)環(huán)境，其故障模式與其他零部件具有共性，其分析過(guò)程及解決方法可謂快速排出此類(lèi)故障提供一定參考，具有推廣借鑒意義。 

 

 

 

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