摘要：本文通过对炼铁1#高炉TRT同步发电机几次端电压失压的故障现象，阐述了该故障产生的各种原因及分析处理办法，最后使发电机组得以顺利运行。同时将这些实例记录下来权当引玉之举，以促进同行之间相互学习与交流。

关键词：同步发电机  励磁系统  PT柜  灭磁电阻单元

1  前言

节约能源是当今世界的一种重要社会意识，是指尽可能的减少能源的消耗、增加能源的利用率的一系列行为。而作为企业的具体做法，则是将一切可利用的能源——如余压、余热等白白被消耗的能量进行回收，通过同步发电机组转换成清洁的电力能源，从而达到降本增效、清洁能源的经济目的和社会目的。

在现实应用中，自发电系统是一个复杂的体系，从使用到的能源介质来看，包括了水、电、风、气、油；从包含的子系统来看，一般有涡轮主机、阀门系统、润滑油系统、冷却系统、密封系统、电液伺服控制系统、高低压配电系统、自动控制系统等，除此之外余热自发电还包括锅炉系统、补燃炉系统等。但无论是压力能，还是热能，其基本模式是通过控制这些能量驱动涡轮机旋转，带动同轴的发电机，利用电磁感应的原理，最后产生电能。（感觉前言部分一方面要介绍能源介质发电背景，另一方面要简单引出“端电压失电”的话题，与题目呼应。）

2  同步发电机的结构及特性

同步发电机是一种最常用的交流发电机，即转子转速与定子旋转磁场转速相同的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛应用于水力发电、火力发电、风力发电、核能发电、柴油机发电及余能发电等场所。按结构可分为旋转电枢和旋转磁场两种。

通常大多数同步发电机属于旋转磁极式，即磁极在转子上、电枢在定子上。其中从转子的结构又可分为隐极式和凸极式：隐极式的绕组为分布式结构，多应用在3000转/分的高速同步发电机上，如蒸汽涡轮机、煤气余压涡轮机等机组；凸极式的绕组为集中式结构，多应用在中、低速的同步发电机上，如水轮机、风轮机的机组等。我厂的几台同步发电机组都属于高速同步发电机。

而旋转电枢式的同步发电机，其磁极在定子上、电枢在转子上。应用场合一般在小容量发电机或者是某些特殊场合，比如发电机组同轴旋转的主励磁机就属于这种类型。

表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性，这些特性是用户选用发电机的重要依据。由于端电压失压的现象是并网前发电机空载运行时的故障现象，在此只讨论空载特性。

发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时发电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随If的增大而增加（在额定值范围内基本成线性比例关系）。但是随着励磁电流进一步增大，发电机磁路铁心开始有饱和现象，二者的关系就开始不成正比（如图3）。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。

3  励磁系统的分类及组成

同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。按励磁电流的供给方式可分为有刷同步发电机励磁方式和无刷同步发电机励磁方式。

通常有刷同步发电机是在凸极式转子上应用，其特点是转子的励磁电流通过同轴旋转的集电环与碳刷接触直接由外部整流控制柜供给，适用于中、低转速且无防燃防爆要求的场所，如水轮发电机组；其优点是励磁方式简单，缺点是因为碳刷要承受大电流，刷架和碳刷的数目自然就很多，因此也造成其维护量很大。

而无刷同步发电机励磁方式又分为三种：

3.1  自并励励磁方式

如图4所示，GS是旋转磁极式同步发电机，起发电作用；EXC是主励磁机，同时也是一台旋转电枢式同步发电机，主要起将励磁电流进行扩大的作用；这两者之间带方框二极管符号的是旋转整流器（三相全波桥整），主要是将主励磁机的电枢发出的三相交流电整成直流，提供给同步发电机的旋转磁极激励。虚线框内的部件随整个轴系同步旋转，从而取代了集电环节。

整个励磁环节中，励磁装置是控制中心，其励磁电源通过励磁变压器T1从发电机机端取得，所以称其为自并励励磁方式，但正是由于这种方式（电源取至自发电源），在还没有发电时，初始励磁建立不起来，因此还要有一套起励装置。通常这种方式只适用于没有电力网的偏远地区。

机端是否有电压、电流产生，则靠TV2（励磁电压互感器，必配）或者是TV1（仪用电压互感器，选配）来检测机端电压，TA（机端电流互感器，必配）来检测机端电流。

3.2  厂用AC400V电源他励励磁方式

如图5所示，这种励磁方式除了励磁电源不同外——是从厂用的低压供配电系统提供的，其它结构与自并励励磁方式相同。我厂烧结18MW同步发电机和焦化两台15MW同步发电机的励磁方式采用的都是这种励磁方式。

3.3  永磁副励磁机他励励磁方式

如图6所示，这种励磁方式又发生了一点变化，其励磁电源不依靠厂用低压供配电系统，而是增加了一套永磁副励磁机（PMG）发出三相交流电提供给励磁装置作为电源。其优点是励磁电源不受厂用电源的影响，进一步提高了励磁系统的安全性。炼铁1#TRT和2#TRT同步发电机组的励磁系统采用的都是这种励磁方式。

4  端电压失压的故障现象及处理

同步发电机在原动机的带动下，其端电压为零或是投励后达不到额定值的95%，都属于端电压失压现象。但是造成端电压失压的原因却是多种多样的：有转子励磁回路短路或断路的，有励磁机铁芯消磁的，有PT断线的，有励磁装置问题的……下面将根据一些实例来具体分析。

4.1  转子励磁回路短路引起的端电压失压

2016年5月份，炼铁1#TRT系统计划检修，同步发电机组进行现场拆解清洗的维护保养工作。检修完成后准备投运，在冲转过程中，机端电压表的读数一直为零，当发电机达到额定转速后启动投励，机端电压表读数仍旧为零，励磁装置报“励磁PT断线”故障，同时封锁励磁的输出。

根据励磁装置报出的故障，待机组静止下来，检查励磁PT柜，电压互感器一次侧和二次侧保险都完好，各接线端子无短路、断路、接触不良的情况，而且检修过程中，励磁PT柜并没有动过，应该不会突然出问题。初步分析：有可能是发电机没有进入发电状态，机端电压本来就没有建立起来；进一步往前推导，机端电压建立不起来，说明发电机转子的磁极没有建立，磁极没有建立是因为绕组中没有激磁电流通过，激磁电流没有很可能是励磁机在回装过程中有某些地方装配有问题。

根据初步分析，对励磁机进行重新解体测量：因为旋转整流器将励磁机发出的三相交流电整成直流后，是通过轴内的导电杆将直流励磁电流传递给转子磁极绕组的，这中间有一对绝缘检测滑环各自并联在正负极上（如图7所示）。而检测中发现，两个连接片都接到一个滑环上了，因此造成了转子励磁回路短路的故障，转子磁极绕组没有激磁电流流过，所以发电机就没有端电压出现。将连接片按正确的方式连接后，发电机端电压恢复了正常。

4.2  励磁机磁极铁芯消磁引起的端电压失压

2017年12月份，炼铁1#TRT同步发电机励磁机因前期“飞车”事故，大修后重新投运，在启机冲转的过程中，机端电压表的读数一直为零，额定转速后启动投励，读数仍没有变化，同时励磁装置马上报出“励磁PT断线和励磁故障”的信息，并封锁励磁输出。

初步分析：因为励磁机大修过，除了励磁小轴没有更换，所有的铁芯、绕组都更换过，而且出厂时都做过电气试验，也都合格。通常发电机在冲转过程中，即便不投励磁，因为励磁机的磁极铁芯被“磁化”，机端仍旧可以出现几百伏的电压。大修过的励磁机，磁极铁芯是新制造的，没有被“磁化”过，而且“磁化”是需要施加一定电流达到其磁化时间。

根据分析，将励磁装置切换到“手动”状态，强行给磁（其间励磁装置仍报故障），经过3次给磁→励磁被封锁→再给磁，机端电压表终于见到压。但是当转速达到额定转速时，机端电压只有额定电压值的60%―70%，达不到并网的要求。与发电机厂家的设计人员沟通，会不会是返厂修复发电机转子后，对变形的槽口、槽楔经过车削，更换了新护环（因重新加工了转子铁芯槽口部位，新护环比原设计要长30mm，材料为不导磁材料），从而改变了发电机的空载特性？设计人员表示不存在这种因素。又与励磁装置厂家的技术人员沟通，看能否提供一个暂时解决问题的办法？励磁装置厂家技术人员计算后答复，将励磁调节器中“空载励磁电流”参数由1.5安培增加到2.0安培，消除“欠励”的现象。将参数更改生效后，发电机机端电压恢复正常。

4.3  励磁装置问题引起的端电压失压

因为上次端电压失压的根本原因并没有真正查找出来，在运行的几天时间内，对比2#TRT励磁柜与1#TRT励磁柜的工况时发现，打开1#TRT励磁柜后面的柜门后，明显有一股热浪传出来，检查温度的来源是其中一个电阻片异常发热（如图8所示）。

与励磁装置厂家取得联系，将励磁装置的《用户手册》和《产品图册》发过来，通过阅读两本图册，该元件为“灭磁电阻单元AR1”中的灭磁电阻R4。而“灭磁电阻单元”在正常给励的情况下，是不参入工作的，因此灭磁电阻R4上基本无工作电流流过，也不会产生高的温度。温度过高就说明有工作电流流过，那么与其串联的二极管V1可能被击穿（如下图9所示）。由于“灭磁电阻单元”与励磁绕组是并联的关系，励磁功率单元给出的励磁电流被分流，使得励磁绕组上实际流过的电流变小，发电机表现为“欠励”现象，所以发电机在额定转速下启励，机端电压达不到额定值。

购回新的二极管，待1#TRT检修停机的机会，进行了更换，同时将励磁调节器的“空载励磁电流”参数由2.0安培恢复到1.5安培（避免励磁系统恢复原状后，投励时发生过励的现象）；对更换下来的二极管用万用表进行检测，确定已经被击穿（属于上次“飞车”事故后对元器件造成的损坏）。检修完成后，发电机冲转，有机端电压显现；达到额定转速后启动投励，机端电压很快达到额定电压值。

5  结束语

自发电是一个系统而又复杂的体系，当我们遇到故障时，需要视具体的现象，逐步小心排查，直至恢复系统正常；但当技术力量缺乏时，不可冒进，而应该迅速与厂家专业技术人员取得联系，以获得技术上的支持。特别是TRT自发电系统，其动力源介质是来至高炉的高压煤气，危险性不言而喻。因此在我们的日常工作当中，唯有兢兢业业、抱着如履薄冰的谨慎态度，在保证安全的基础上达成最大的经济效益与社会效益。