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交流发电机不发电或者电压过高的成因分析 |
前言：作为电气系统的主要电源，三相同步交流发电机已广泛应用于柴油发电机，发电机使用过程中可能发生不发电、输出电压过低、过高和电压不稳等故障，导致故障的原因主要是发电机皮带张紧力过小、电压调节器出现故障、发电机内部二极管出现故障、激磁绕组部分短路、三相绕组出现故障和导线连接不良等。故障柴油发电机组的工作环境多为港口、化工厂、矿场等高硫高腐蚀地域。本文中结合故障的具体案例，逐层分析，研究故障的原因并提出解决方案。
一、发电机原理
同步发电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。 同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。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 。其外形如图1所示，结构原理如图2所示。
1、工作原理
同步发电机的基本工作原理包含以下几个方面。
（1）磁场的建立
发电机运行时，励磁绕组通过直流励磁电流，建立极性相同的励磁磁场，即建立起主磁场。
（2）切割运动
柴油机拖动转子旋转，机型形同的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组的过程。
（3）载流导体
发电机运行后，三相对称的电流组充当功率绕组，称为感应电动势或者感应电流的载体。
2、电动势的产生
同步发电机的工作原理是实际上就是电磁感应原理。通过转子磁场和定子绕组的相对运动，将机械能转变为电能。当转子在原动机的带动下，转子磁场和定子导体做相对运动，即导体切割磁路线，因此在导体中产生感应电动势，其方向可根据u右手定则判断。由于转子磁极的位置是导体以垂直方向切割磁力线。所以此时定子绕组中的感应电动势最大，当磁极转动90度时，磁极成水平位置，导体不切割磁力线，器感应电动势为零。转子在转90度，定子绕组感应电动势又以垂直方向切割磁力线，使感应电动势达到最大值，但方向与前相反。当转子再转90度。感应电动势又为零。这样转子转动一周，定子绕组的感应电动势也发生正，负变化。如果转子连续均匀旋转，在定子绕组中就会感应出一个周期性不断变化的交流电动势，通过引出线，即可输出交流电流。
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图1 斯坦福无刷交流发电机外形示意图 |
图2 交流同步发电机结构图 |
二、故障描述及分析
故障发电机表现为发电机遭受腐蚀，发电机不发电或者输出电压偏高，通过排查、更换发电机后故障排除。经检查，故障发电机内部腐蚀较为严重，但是不能确认是否腐蚀为造成该故障的主要原因，需要研究并确定故障原因以消除存在的质量隐患。
1、发电机故障现象及初步原因分析
对发电机损坏现象发生较集中的港口、化工厂、矿场等高硫高腐蚀地域进行了初步分析，发电机的故障现象及原因见表对故障发电机进行拆检并更换故障零部件，再次测试结果显示发电机性能正常，矿场反馈的已损坏发电机调节器如图2所示。故障发电机复测结果如图3所示。拆检及复测结果显示柴油发电机组发电机故障的主要原因如下：
（1）发电机整流桥内部腐蚀或调节器内部腐蚀致开路，导致发电机无法发电或者发电机电压过高。
（2）整流桥在高硫高腐蚀的工作环境下的抗腐蚀能力不足。
（3）虽然已经对调节器内部进行过防腐蚀处理，但是在极端工作环境下，仍然存在较高的失效风险。
图3 拆检及复测结果
2、实物拆检与失效模式分析
对失效的发电机调节器拆解后发现，调节器内部电路发生了硫化现象，硫化失效器件的典型外观就是电极与环氧树脂交汇处有黑色析出物，失效器件表面的黑色析出物如图4所示。采用能量色散X射线光谱仪并结合扫描电子显微镜对具有黑色析出物的样品进行微区成分分析。能量色散X射线光谱仪分析显示，失效样品中有硫化银Ag2 S，一种黑色非导电物质)产生。据此推测，外部高硫环境中硫元素浸入调节器内部，与导体合金中的银产生化学反应，生产黑色的Ag2S，最终致使电路开路，发电机调节器失效，发电机无法发电。经市场调查，反馈硫化失效地区为化工矿场，使用环境含硫较多，使用的环境比较恶劣，这为发电机的硫化提供了基础。由于发电机调节器表面涂覆的三防胶材料是硅胶，而硅胶是发达的微孔结构，容易吸附硫，这又大大加速硫化物的生成。
三、改进方案及验证
通过以上分析，虽然发电机的调节器内部已进行防腐蚀处理，但发电机失效原因仍为多功能调节器在外部高硫环境下应用，调节器内部发生硫化现象造成断路失效。针对该问题，将发电机的调节器及发电机的整流器单板组件涂覆材料更改为具有抗硫化功能的三防胶，更改三防胶材料前后的调节器如图6所示。同时，完善硫化反应可靠性测试标准，以便更准确评估产品的抗硫化腐蚀能力。对改用抗硫化三防胶之后的发电机调节器进行抗硫化评估对比试验，更改三防胶材料前后的试验结果如图7所示。
试验结果表明，改用抗硫化三防胶，在可保证15.2 mg/m3的硫化氢(H2 S)气体环境中进行196 h的腐蚀试验后，无明显腐蚀，符合设计要求。使用抗硫化三防胶的发电机已正式更换，并将改进后的抗硫化调节器发往故障发生比较集中的地区进行验证，更换调节器后没有再出现类似故障，该问题得到了彻底解决。
针对某型发电机频繁失效的故障案例，结合柴油发电机组的工作环境，对发电机调节器的失效样品进行由浅及深的剖析，确定失效的根本原因为硫化失效，并有针对性地提出改进优化方案，通过试验验证改进方案的有效性，为其他零部件的设计与故障分析提供参考。结合柴油发电机组的工作环境，分析得出了此次发电机失效原因为多功能调节器在外部高硫环境下，调节器内部发生硫化现象，造成断路失效，并提出了相应的解决措施，试验结果及市场验证表明整改措施切实有效。鉴于柴油发电机组的作业环境，其故障模式与其他零部件具有共性，其分析过程及解决方法可谓快速排出此类故障提供一定参考，具有推广借鉴意义。
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