摘要：本文通過對煉鐵1#高爐TRT同步發電機幾次端電壓失壓的故障現象，闡述了該故障產生的各種原因及分析處理辦法，最后使發電機組得以順利運行。同時將這些實例記錄下來權當引玉之舉，以促進同行之間相互學習與交流。

關鍵詞：同步發電機  勵磁系統  PT柜  滅磁電阻單元

1  前言

節約能源是當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行回收，通過同步發電機組轉換成清潔的電力能源，從而達到降本增效、清潔能源的經濟目的和社會目的。

在現實應用中，自發電系統是一個復雜的體系，從使用到的能源介質來看，包括了水、電、風、氣、油；從包含的子系統來看，一般有渦輪主機、閥門系統、潤滑油系統、冷卻系統、密封系統、電液伺服控制系統、高低壓配電系統、自動控制系統等，除此之外余熱自發電還包括鍋爐系統、補燃爐系統等。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動渦輪機旋轉，帶動同軸的發電機，利用電磁感應的原理，最后產生電能。（感覺前言部分一方面要介紹能源介質發電背景，另一方面要簡單引出“端電壓失電”的話題，與題目呼應。）

2  同步發電機的結構及特性

同步發電機是一種最常用的交流發電機，即轉子轉速與定子旋轉磁場轉速相同的交流發電機。在現代電力工業中，它廣泛應用于水力發電、火力發電、風力發電、核能發電、柴油機發電及余能發電等場所。按結構可分為旋轉電樞和旋轉磁場兩種。

通常大多數同步發電機屬于旋轉磁極式，即磁極在轉子上、電樞在定子上。其中從轉子的結構又可分為隱極式和凸極式：隱極式的繞組為分布式結構，多應用在3000轉/分的高速同步發電機上，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構，多應用在中、低速的同步發電機上，如水輪機、風輪機的機組等。我廠的幾臺同步發電機組都屬于高速同步發電機。

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

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

發電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時發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（在額定值范圍內基本成線性比例關系）。但是隨著勵磁電流進一步增大，發電機磁路鐵心開始有飽和現象，二者的關系就開始不成正比（如圖3）。反映空載電動勢E0與勵磁電流If關系的曲線稱為同步發電機的空載特性。

3  勵磁系統的分類及組成

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

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

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

整個勵磁環節中，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（電源取至自發電源），在還沒有發電時，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的偏遠地區。

機端是否有電壓、電流產生，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提供的，其它結構與自并勵勵磁方式相同。我廠燒結18MW同步發電機和焦化兩臺15MW同步發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，這種勵磁方式又發生了一點變化，其勵磁電源不依靠廠用低壓供配電系統，而是增加了一套永磁副勵磁機（PMG）發出三相交流電提供給勵磁裝置作為電源。其優點是勵磁電源不受廠用電源的影響，進一步提高了勵磁系統的安全性。煉鐵1#TRT和2#TRT同步發電機組的勵磁系統采用的都是這種勵磁方式。

4  端電壓失壓的故障現象及處理

同步發電機在原動機的帶動下，其端電壓為零或是投勵后達不到額定值的95%，都屬于端電壓失壓現象。但是造成端電壓失壓的原因卻是多種多樣的：有轉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……下面將根據一些實例來具體分析。

4.1  轉子勵磁回路短路引起的端電壓失壓

2016年5月份，煉鐵1#TRT系統計劃檢修，同步發電機組進行現場拆解清洗的維護保養工作。檢修完成后準備投運，在沖轉過程中，機端電壓表的讀數一直為零，當發電機達到額定轉速后啟動投勵，機端電壓表讀數仍舊為零，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，電壓互感器一次側和二次側保險都完好，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，應該不會突然出問題。初步分析：有可能是發電機沒有進入發電狀態，機端電壓本來就沒有建立起來；進一步往前推導，機端電壓建立不起來，說明發電機轉子的磁極沒有建立，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。

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

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同步發電機勵磁機因前期“飛車”事故，大修后重新投運，在啟機沖轉的過程中，機端電壓表的讀數一直為零，額定轉速后啟動投勵，讀數仍沒有變化，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。通常發電機在沖轉過程中，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到其磁化時間。

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

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，對比2#TRT勵磁柜與1#TRT勵磁柜的工況時發現，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熱（如圖8所示）。

與勵磁裝置廠家取得聯系，將勵磁裝置的《用戶手冊》和《產品圖冊》發過來，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”與勵磁繞組是并聯的關系，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，發電機表現為“欠勵”現象，所以發電機在額定轉速下啟勵，機端電壓達不到額定值。

購回新的二極管，待1#TRT檢修停機的機會，進行了更換，同時將勵磁調節器的“空載勵磁電流”參數由2.0安培恢復到1.5安培（避免勵磁系統恢復原狀后，投勵時發生過勵的現象）；對更換下來的二極管用萬用表進行檢測，確定已經被擊穿（屬于上次“飛車”事故后對元器件造成的損壞）。檢修完成后，發電機沖轉，有機端電壓顯現；達到額定轉速后啟動投勵，機端電壓很快達到額定電壓值。

5  結束語

自發電是一個系統而又復雜的體系，當我們遇到故障時，需要視具體的現象，逐步小心排查，直至恢復系統正常；但當技術力量缺乏時，不可冒進，而應該迅速與廠家專業技術人員取得聯系，以獲得技術上的支持。特別是TRT自發電系統，其動力源介質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中，唯有兢兢業業、抱著如履薄冰的謹慎態度，在保證安全的基礎上達成最大的經濟效益與社會效益。