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交流發(fā)電機不發(fā)電或者電壓過高的成因分析

 

前言：作為電氣系統(tǒng)的主要電源，三相同步交流發(fā)電機已廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)電機，發(fā)電機使用過程中可能發(fā)生不發(fā)電、輸出電壓過低、過高和電壓不穩(wěn)等故障，導(dǎo)致故障的原因主要是發(fā)電機皮帶張緊力過小、電壓調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障、發(fā)電機內(nèi)部二極管出現(xiàn)故障、激磁繞組部分短路、三相繞組出現(xiàn)故障和導(dǎo)線連接不良等。故障柴油發(fā)電機組的工作環(huán)境多為港口、化工廠、礦場等高硫高腐蝕地域。本文中結(jié)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(xiàn)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(dāng)其單機獨立運行時，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，能方便地調(diào)節(jié)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，此時調(diào)節(jié)勵磁電流的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電機的功率因數(shù)和無功功率。 同步發(fā)電機的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(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) 。其外形如圖1所示，結(jié)構(gòu)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方面。

（1）磁場的建立

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

（2）切割運動

      柴油機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，機型形同的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組的過程。

（3）載流導(dǎo)體

      發(fā)電機運行后，三相對稱的電流組充當(dāng)功率繞組，稱為感應(yīng)電動勢或者感應(yīng)電流的載體。

2、電動勢的產(chǎn)生

      同步發(fā)電機的工作原理是實際上就是電磁感應(yīng)原理。通過轉(zhuǎn)子磁場和定子繞組的相對運動，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?dāng)轉(zhuǎn)子在原動機的帶動下，轉(zhuǎn)子磁場和定子導(dǎo)體做相對運動，即導(dǎo)體切割磁路線，因此在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其方向可根據(jù)u右手定則判斷。由于轉(zhuǎn)子磁極的位置是導(dǎo)體以垂直方向切割磁力線。所以此時定子繞組中的感應(yīng)電動勢最大，當(dāng)磁極轉(zhuǎn)動90度時，磁極成水平位置，導(dǎo)體不切割磁力線，器感應(yīng)電動勢為零。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)90度，定子繞組感應(yīng)電動勢又以垂直方向切割磁力線，使感應(yīng)電動勢達(dá)到最大值，但方向與前相反。當(dāng)轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)90度。感應(yīng)電動勢又為零。這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，定子繞組的感應(yīng)電動勢也發(fā)生正，負(fù)變化。如果轉(zhuǎn)子連續(xù)均勻旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中就會感應(yīng)出一個周期性不斷變化的交流電動勢，通過引出線，即可輸出交流電流。

 

圖1  斯坦福無刷交流發(fā)電機外形示意圖

圖2  交流同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

 

 

二、故障描述及分析

 

      故障發(fā)電機表現(xiàn)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，通過排查、更換發(fā)電機后故障排除。經(jīng)檢查，故障發(fā)電機內(nèi)部腐蝕較為嚴(yán)重，但是不能確認(rèn)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(xiàn)象及初步原因分析

      對發(fā)電機損壞現(xiàn)象發(fā)生較集中的港口、化工廠、礦場等高硫高腐蝕地域進(jìn)行了初步分析，發(fā)電機的故障現(xiàn)象及原因見表對故障發(fā)電機進(jìn)行拆檢并更換故障零部件，再次測試結(jié)果顯示發(fā)電機性能正常，礦場反饋的已損壞發(fā)電機調(diào)節(jié)器如圖2所示。故障發(fā)電機復(fù)測結(jié)果如圖3所示。拆檢及復(fù)測結(jié)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(nèi)部腐蝕或調(diào)節(jié)器內(nèi)部腐蝕致開路，導(dǎo)致發(fā)電機無法發(fā)電或者發(fā)電機電壓過高。

（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(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行過防腐蝕處理，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(fù)測結(jié)果

2、實物拆檢與失效模式分析

      對失效的發(fā)電機調(diào)節(jié)器拆解后發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路發(fā)生了硫化現(xiàn)象，硫化失效器件的典型外觀就是電極與環(huán)氧樹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射線光譜儀并結(jié)合掃描電子顯微鏡對具有黑色析出物的樣品進(jìn)行微區(qū)成分分析。能量色散X射線光譜儀分析顯示，失效樣品中有硫化銀Ag2 S，一種黑色非導(dǎo)電物質(zhì))產(chǎn)生。據(jù)此推測，外部高硫環(huán)境中硫元素浸入調(diào)節(jié)器內(nèi)部，與導(dǎo)體合金中的銀產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)黑色的Ag2S，最終致使電路開路，發(fā)電機調(diào)節(jié)器失效，發(fā)電機無法發(fā)電。經(jīng)市場調(diào)查，反饋硫化失效地區(qū)為化工礦場，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(chǔ)。由于發(fā)電機調(diào)節(jié)器表面涂覆的三防膠材料是硅膠，而硅膠是發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，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

 

      通過以上分析，雖然發(fā)電機的調(diào)節(jié)器內(nèi)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(diào)節(jié)器在外部高硫環(huán)境下應(yīng)用，調(diào)節(jié)器內(nèi)部發(fā)生硫化現(xiàn)象造成斷路失效。針對該問題，將發(fā)電機的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器如圖6所示。同時，完善硫化反應(yīng)可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)，以便更準(zhǔn)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(diào)節(jié)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(jié)果如圖7所示。
      試驗結(jié)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，無明顯腐蝕，符合設(shè)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(diào)節(jié)器發(fā)往故障發(fā)生比較集中的地區(qū)進(jìn)行驗證，更換調(diào)節(jié)器后沒有再出現(xiàn)類似故障，該問題得到了徹底解決。
      針對某型發(fā)電機頻繁失效的故障案例，結(jié)合柴油發(fā)電機組的工作環(huán)境，對發(fā)電機調(diào)節(jié)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，通過試驗驗證改進(jìn)方案的有效性，為其他零部件的設(shè)計與故障分析提供參考。結(jié)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(diào)節(jié)器在外部高硫環(huán)境下，調(diào)節(jié)器內(nèi)部發(fā)生硫化現(xiàn)象，造成斷路失效，并提出了相應(yīng)的解決措施，試驗結(jié)果及市場驗證表明整改措施切實有效。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，其分析過程及解決方法可謂快速排出此類故障提供一定參考，具有推廣借鑒意義。 

 

 

 

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