基于同步机无刷励磁系统常见故障的保护配置优化研究

摘要：励磁系统是同步电动机的重要组成部分，其对于同步电动机的运行起着及其重要的作用。本文对国内某炼化企业同步电动机励磁系统典型故障进行了研究与分析，并提出一种励磁系统保护定值的优化配置方案，在确保保护功能安全可靠的前提下，保证同步电动机的稳定运行。

关键词：无刷励磁；同步电动机；缺相运行

0引言

同步电动机励磁系统由旋转励磁和静态励磁两部分组成，旋转励磁部分安装在主电机轴上，由于无刷励磁系统中革除了滑环与碳刷等转动接触部分，从根本上解决了由此带来的接触不良以及发热问题，同时不会产生电火花，因此广泛应用于防爆等级要求较高的炼化企业大型机组。国内某2050万吨/年加工量炼化企业现有29台大型压缩机组，配套的同步电动机均选用了WKLF-400系列微机控制无刷同步电动机励磁系统。励磁系统故障跳闸会造成运行机组的意外停车，对现场生产造成极大影响，因此需要通过对励磁系统典型故障的分析，制定合理的保护配置方案，避免意外停机影响装置安全平稳运行。

1同步电动机励磁系统工作原理

无刷励磁同步电动机由主电机、交流励磁机、旋转整流器和静态励磁装置4部分组成，其中静态励磁部分主要是由励磁调节器、励磁变压器、功率单元等组成的静态励磁柜，安装于配电室内。

旋转励磁器部分安装在主电机轴上，每套旋转励磁器包括1个主控模块、3个整流功率模块、1个启动功率模块和8块灭磁电阻。旋转励磁器采用三相半控整流桥，相对三相全控整流桥有一个明显优势：当3个晶闸管中的2个发生故障不能工作时，该整流桥仍然能够整流输出，保证同步电动机正常带励运行。

1.1主控模块

主控模块对旋转整流器的正常运行起着关键的控制作用，负责电动机的启动投励、导通角调整、导通整流功率模块，并控制灭磁电阻的投切。

1.2启动模块

启动功率模块在同步电动机异步启动后迁入同步过程中起着关键作用。启动电阻投用后，同步电动机的启动转矩特性得到改善，进而使同步电动机平稳、迅速进入同步运行状态，并在控制模块的作用下对灭磁电阻进行投切。

1.3整流功率模块

整流功率模块是三相半控整流桥的关键组成部分，对交流励磁机发出的三相交流电进行整流后，向电动机转子线圈提供励磁电压。

2励磁系统典型故障分析

2.1事件经过

2022年4月23日，该炼化企业220万吨/年连续重整装置氢烃压缩机自停，检查发现电动机电源回路保护装置非电量跳闸，静态励磁装置故障指示灯闪烁，屏幕显示为“旋转励磁系统故障”。

2.2原因分析

拆除励磁模块进行静态模拟试验，发现主控模块存在间歇性触发脉冲丢失的情况。触发脉冲丢失会造成三相整流电路缺相运行，在励磁绕组中感应出特征谐波电流，励磁调节器的“旋转励磁系统故障”保护是通过检测特征谐波电流，当达到保护动作条件时发出相应的故障停机指令。

2.3同类故障溯源

统计该炼化企业2015年至今发生的全部励磁故障，因“旋转励磁故障”保护动作造成的停机9起，其中缺相运行导致的保护动作7起，占比77.8%。三相整流电路中，缺相运行时仍然能够整流输出，如果通过增大静态励磁输出能够弥补缺失的励磁电势，对同步机的运行不会造成影响。因此需要对励磁系统的保护参数进行优化配置，在保设备和保生产二者间重新进行平衡。

3励磁系统保护配置优化方案

3.1保护原理

1）旋转励磁故障保护

“旋转励磁故障”是对同步机旋转励磁系统的保护，由于旋转励磁系统各部件均随主机转子一同旋转，运行数据检测方式受限，“旋转励磁故障”只能通过检测励磁电流的特征谐波电流来实现对同步机旋转励磁系统的保护。该保护设置合理，不会出现模块本来没有故障时误动作的情况，但是在功能上无法实现根据现场旋转励磁系统故障的严重程度进行有选择的跳闸。

2）外环失效保护

当旋转励磁系统出现故障导致电机转子侧励磁电势缺失时，静态励磁装置会增大励磁电流输出，试图弥补缺失的励磁电势，当持续时间达到外环调节器限制失效保护时间还未使转子侧励磁电势恢复，该保护动作。

3）失步保护

分带励失步保护和失磁失步保护两种，失步保护的动作速度取决于电机失步后的转差率，转差率越大动作速度越快。电机带励失步后在定子电流幅值将感应出脉动分量，调节器通过分析脉动分量的频率、幅值及持续时间判断电机是否失步；失磁失步保护通过判断定子电流持续大幅超额定且功率因数滞后来进行判别。

3.2保护配置优化

旋转励磁系统故障分短路故障及断路故障两类：

1）短路故障电流大，易造成设备严重损坏，保护功能需可靠动作，尽快切除故障。

2）断路故障由控制模块触发信号丢失或功率引线断裂造成，多数情况会导致旋转励磁系统整流回路缺相运行。

将“旋转励磁故障”保护动作方式由跳闸改为报警，“外环失效”保护动作方式由报警改为跳闸。区分旋转励磁系统故障类型，当内部发生缺相故障时，通过励磁调节器的输出调节，保证励磁系统正常工作，但需发出报警提示，并将报警信号接至DCS系统，发生报警时值班人员能够及时发现；当内部发生短路故障时，保护需可靠动作于跳闸，避免电动机带病运行造成故障扩大。

3.3保护功能验证

进行保护配置优化，需对新配置下同步机旋转励磁系统的保护功能进行验证，分析各类电气故障情况保护功能是否能够可靠动作。

3.3.1短路故障

旋转励磁系统内部出现线路短接故障，较大的故障电流会击穿整流功率模块的二极管及可控硅，旋转励磁无输出，造成同步机失步，此时励磁装置“失磁失步”保护将会动作跳闸。考虑现场实际运行工况有时可能会处于轻载运行，此时如果旋转系统出现短路，短路电流较小未造成元件击穿故障，定子电流又可能达不到保护定值，采用“外环失效”保护可作为后备保护，动作于跳闸。

3.3.2断路故障

旋转励磁系统内部采用三相半控式整流电路，从该电路的电气工作原理分析，当缺单相运行时，如果另两相输出相应增大，可保证电路的输出电流不会有较大影响；当缺两相或三相时，整流电路将无法保持输出平稳。因装置现场无法进行动态试验，要求励磁厂家进行了静态试验模拟，验证了该理论分析的准确性。

1）缺单相运行，静态励磁输出增大，励磁机转子绕组及另两相整流功率模块电流增大、温度升高，励磁系统的“反时限强力”保护会限制静态励磁输出，不会造成励磁机长期过载运行烧毁，因此短时间内可以继续运行。

2）缺两相运行，电机转子侧励磁电势缺失（未失磁），静态励磁装置会增大励磁电流输出，试图弥补缺失的励磁电势，如果此时轻载运行，可通过强励运行满足主机转子励磁需求，如满载运行，因“反时限强力”保护限制，输出无法满足主机转子励磁需求，“失磁失步”保护或“外环失效”保护动作于跳闸。

3）缺三相或输入输出引线等断相时，旋转励磁系统无输出（失磁），电机失步，此时励磁系统的“失磁失步”保护动作跳闸。

4结语

通过对同步机典型励磁故障的分析，绝大多数的旋转励磁系统故障均是由于模块故障导致整流电路缺相运行引起，此类情况运行对励磁系统输出无影响，如果保护动作于跳闸，造成机组的意外停机，会对企业生产平衡造成较大影响。在对保护原理及功能进行充分验证后，提出相应优化方案，做到保护配置安全可靠、机组运行稳定高效的改造目标。

参考文献

[1]何亮.无刷同步电动机旋转整流器故障检测方法的改进[J].通信电源技术，2019，36（11）：53-55.DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2019.11.019.