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交流發電機不發電或者電壓過高的成因分析

 

前言：作為電氣系統的主要電源，三相同步交流發電機已廣泛應用于柴油發電機，發電機使用過程中可能發生不發電、輸出電壓過低、過高和電壓不穩等故障，導致故障的原因主要是發電機皮帶張緊力過小、電壓調節器出現故障、發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連接不良等。故障柴油發電機組的工作環境多為港口、化工廠、礦場等高硫高腐蝕地域。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、發電機原理

 

      同步發電機是一種最常用的交流發電機。在現代電力工業中，它廣泛用于水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電。由于同步發電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調節勵磁電流，能方便地調節發電機的電壓。若并入電網運行，因電壓由電網決定，不能改變，此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。 同步發電機的定子、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電機中電樞繞組采用單相。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 。其外形如圖1所示，結構原理如圖2所示。

1、工作原理

      同步發電機的基本工作原理包含以下幾個方面。

（1）磁場的建立

      發電機運行時，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

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

（3）載流導體

      發電機運行后，三相對稱的電流組充當功率繞組，稱為感應電動勢或者感應電流的載體。

2、電動勢的產生

      同步發電機的工作原理是實際上就是電磁感應原理。通過轉子磁場和定子繞組的相對運動，將機械能轉變為電能。當轉子在原動機的帶動下，轉子磁場和定子導體做相對運動，即導體切割磁路線，因此在導體中產生感應電動勢，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。所以此時定子繞組中的感應電動勢最大，當磁極轉動90度時，磁極成水平位置，導體不切割磁力線，器感應電動勢為零。轉子在轉90度，定子繞組感應電動勢又以垂直方向切割磁力線，使感應電動勢達到最大值，但方向與前相反。當轉子再轉90度。感應電動勢又為零。這樣轉子轉動一周，定子繞組的感應電動勢也發生正，負變化。如果轉子連續均勻旋轉，在定子繞組中就會感應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  斯坦福無刷交流發電機外形示意圖

圖2  交流同步發電機結構圖

 

 

二、故障描述及分析

 

      故障發電機表現為發電機遭受腐蝕，發電機不發電或者輸出電壓偏高，通過排查、更換發電機后故障排除。經檢查，故障發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量隱患。

1、發電機故障現象及初步原因分析

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

（1）發電機整流橋內部腐蝕或調節器內部腐蝕致開路，導致發電機無法發電或者發電機電壓過高。

（2）整流橋在高硫高腐蝕的工作環境下的抗腐蝕能力不足。

（3）雖然已經對調節器內部進行過防腐蝕處理，但是在極端工作環境下，仍然存在較高的失效風險。

 

圖3  拆檢及復測結果

2、實物拆檢與失效模式分析

      對失效的發電機調節器拆解后發現，調節器內部電路發生了硫化現象，硫化失效器件的典型外觀就是電極與環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射線光譜儀并結合掃描電子顯微鏡對具有黑色析出物的樣品進行微區成分分析。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，一種黑色非導電物質)產生。據此推測，外部高硫環境中硫元素浸入調節器內部，與導體合金中的銀產生化學反應，生產黑色的Ag2S，最終致使電路開路，發電機調節器失效，發電機無法發電。經市場調查，反饋硫化失效地區為化工礦場，使用環境含硫較多，使用的環境比較惡劣，這為發電機的硫化提供了基礎。由于發電機調節器表面涂覆的三防膠材料是硅膠，而硅膠是發達的微孔結構，容易吸附硫，這又大大加速硫化物的生成。

 

三、改進方案及驗證

 

      通過以上分析，雖然發電機的調節器內部已進行防腐蝕處理，但發電機失效原因仍為多功能調節器在外部高硫環境下應用，調節器內部發生硫化現象造成斷路失效。針對該問題，將發電機的調節器及發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，完善硫化反應可靠性測試標準，以便更準確評估產品的抗硫化腐蝕能力。對改用抗硫化三防膠之后的發電機調節器進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)氣體環境中進行196 h的腐蝕試驗后，無明顯腐蝕，符合設計要求。使用抗硫化三防膠的發電機已正式更換，并將改進后的抗硫化調節器發往故障發生比較集中的地區進行驗證，更換調節器后沒有再出現類似故障，該問題得到了徹底解決。
      針對某型發電機頻繁失效的故障案例，結合柴油發電機組的工作環境，對發電機調節器的失效樣品進行由淺及深的剖析，確定失效的根本原因為硫化失效，并有針對性地提出改進優化方案，通過試驗驗證改進方案的有效性，為其他零部件的設計與故障分析提供參考。結合柴油發電機組的工作環境，分析得出了此次發電機失效原因為多功能調節器在外部高硫環境下，調節器內部發生硫化現象，造成斷路失效，并提出了相應的解決措施，試驗結果及市場驗證表明整改措施切實有效。鑒于柴油發電機組的作業環境，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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