大型交流異步電動機(jī)軸電流的危害與防治

摘要 軸電流的存在對電動機(jī)軸承的使用壽命具有極大的破壞性，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，分析其產(chǎn)生的原因，采取裝設(shè)轉(zhuǎn)軸接地碳刷、加強(qiáng)非軸伸端軸承座與支架的絕緣等有效措施，從而從根本上解決軸電流危害的問題。

關(guān)鍵詞 電動機(jī) 軸承燒損 軸電流 軸電壓 接地碳刷

0 引言

華能鶴崗發(fā)電有限公司二期工程裝機(jī)容量為600MW，與之相配套的凝結(jié)水泵電動機(jī)為湘潭電機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的電機(jī)，型號為YKKL630-4，額定功率為2100kW。每臺電動機(jī)有2盤導(dǎo)向軸承(型號為6236／C3)和1盤推力軸承(型號為SKF7330)，電動機(jī)原設(shè)計轉(zhuǎn)子軸上部安裝一個巨大的風(fēng)扇，靜子圓周設(shè)有通風(fēng)散熱管，后改造為開啟式。在投運(yùn)初期，多次發(fā)生凝結(jié)水泵電動機(jī)燒損事故，現(xiàn)對凝結(jié)水泵電動機(jī)軸電流、軸電壓產(chǎn)生原因及防治進(jìn)行具體分析。

1 存在問題

從機(jī)組試運(yùn)開始到機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電后的幾個月內(nèi)，在運(yùn)行一周左右時間后出現(xiàn)異常聲音，振動加大，且聲音逐步增大，每次檢查發(fā)現(xiàn)，下部軸承損壞尤其嚴(yán)重，不得不換軸承或更換備用電動機(jī)。造成檢修工作量加大，材料消耗增大。特別是電動機(jī)每次檢修需更換3盤SKF進(jìn)口軸承，占用日常維護(hù)費(fèi)用的很大一部分。更為嚴(yán)重的是凝結(jié)水泵電動機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，已經(jīng)嚴(yán)重地影響到機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 原因分析

經(jīng)過和廠家單位多次反復(fù)試驗(yàn)研究，認(rèn)為凝結(jié)水泵電動機(jī)運(yùn)行周期縮短是由于軸承受損所致，而造成凝結(jié)水泵電動機(jī)軸承受損的主要原因?yàn)榇磐}動造成的軸電壓累積，使油膜擊穿形成軸電流，軸電流持續(xù)不斷地對軸承內(nèi)圈放電，導(dǎo)致軸承滾道產(chǎn)生麻點(diǎn)，這種損害不斷擴(kuò)大。此時，電動機(jī)的異常聲音非常明顯，只得換用備用電動機(jī)。此外由于電動機(jī)的多次檢修，風(fēng)扇互換及緊方面的磨損等原因造成風(fēng)扇動平衡不好，從而加劇了軸承的損壞。

另外，如檢修工藝不合理，檢修后中心找得不正，也會影響電動機(jī)軸承的使用壽命。根據(jù)理論分析，軸電流流經(jīng)下軸承的回路被切斷后，將會通過上部和中部軸承構(gòu)成回路，造成中上部軸承的損害。

造成產(chǎn)生軸電流的原因之一是制造廠在制造電機(jī)時，由于制造的定子、轉(zhuǎn)子沿鐵心圓周方向的磁阻不均，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)軸交鏈的磁通，從而感應(yīng)出電動勢。由于軸電流或軸電壓不易測出，當(dāng)發(fā)生滾動軸承燒損事故時，一時找不到原因。但當(dāng)用帶有絕緣圈的特制軸承套更換原軸承套后，便會測出軸電壓，才能發(fā)覺到電機(jī)有軸電流產(chǎn)生。

2.1軸電流的危害

在電動機(jī)運(yùn)行過程中，如果在兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間有軸電流的存在，使電機(jī)軸承表面或滾珠受到侵蝕，形成點(diǎn)狀微孔，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能惡化，摩擦損耗和發(fā)熱增加，最終造成軸承燒毀。那么對于電機(jī)軸承的使用壽命將會大大縮短。輕微的可運(yùn)行上千小時，嚴(yán)重的甚至只能運(yùn)行幾個小時，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來極大的影響。同時由于軸承損壞及更換帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也不可小計。

2.2軸電流產(chǎn)生的原因

假設(shè)電機(jī)的極對數(shù)為p，定子鐵心接縫數(shù)為n，則分?jǐn)?shù)n／p約分后為n'／p'，當(dāng)n'為偶數(shù)時，不會產(chǎn)生軸電流；當(dāng)n'為奇數(shù)時，會產(chǎn)生頻率為fn'的軸電流。這里的f為電機(jī)電源頻率。比如電源頻率為50Hz，4極電動機(jī)，它的定子沖片接縫數(shù)為6，則n／p=6／2=3／1。n'=3是奇數(shù)，故該電機(jī)就有軸電流產(chǎn)生。軸電流頻率為fn'=50Hz×3=150Hz。

軸電流產(chǎn)生原因一般有以下幾種：

(1)磁路磁場不平衡，有與轉(zhuǎn)軸相交鏈的旋轉(zhuǎn)磁通存在；

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生接地故障，有接地電流產(chǎn)生；

(3)轉(zhuǎn)軸上有剩余磁通，起單極發(fā)電機(jī)作用；

(4)鐵心材料方向性引起磁路的磁阻不均；

(5)由靜電引起，但一般靜電電流較小，作用不會太大；

(6)供電電流中有諧波；

(7)制造、安裝不好，由于轉(zhuǎn)子偏心造成氣隙不勻；

(8)可拆式定子鐵心的兩個半圓鍵有縫隙；

(9)有扇形疊成的定子鐵心的拼片數(shù)目選擇不合適。

2.3軸電壓是電動機(jī)兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓

雖然電機(jī)因各種原因產(chǎn)生的軸電壓很低，只有0.5～2V左右，但因電流回路阻抗很小，所以將有很大軸電流產(chǎn)生，對電機(jī)滾動軸承危害很大。

使用滾動軸承的大、中型電機(jī)，一旦發(fā)生軸承損壞事故，在檢修中要特別注意檢查軸承表面痕跡。凡是軸電流引起的燒傷，在拆出軸承檢查時會發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的重要特征。同時其表面還伴有麻點(diǎn)、傷痕，有的甚至還有裂紋出現(xiàn)。另外，電機(jī)軸承溫度上升很快，并伴有潤滑油脂流出。

造成搓板樣的燒痕是由于滾柱或滾珠在軸承圈的跑道上滾動和輾壓跑道時，在輾壓接觸地方，接觸電阻很小，并將潤滑脂擠向兩側(cè)，當(dāng)滾動體將要離開原位置時，產(chǎn)生小間隙，這時會有放電現(xiàn)象產(chǎn)生，類似于電火花作用和影響，將跑道表面燒成線條狀痕跡。線條的個數(shù)與軸電流頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承內(nèi)狀況有關(guān)。當(dāng)后來的滾動體繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動時，因輾壓使燒痕壓平、壓光，所以跑道表面會出現(xiàn)光亮。

軸電壓產(chǎn)生原因一般有以下幾種：

(1)磁不平衡產(chǎn)生軸電壓

電動機(jī)由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵心槽、通風(fēng)孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉(zhuǎn)軸的周圍有交變磁通切割轉(zhuǎn)軸，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。

(2)逆變供電產(chǎn)生軸電壓

電動機(jī)采用逆變供電運(yùn)行時，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使轉(zhuǎn)軸的電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生軸電壓。

(3)靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓

在電動機(jī)運(yùn)行的現(xiàn)場周圍有較多的高壓設(shè)備，在強(qiáng)電場的作用下，在轉(zhuǎn)軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。

(4)外部電源的介入產(chǎn)生軸電壓，由于運(yùn)行現(xiàn)場接線比較繁雜，尤其大電機(jī)保護(hù)、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，哪兒便會產(chǎn)生軸電壓。

(5)其他原因

靜電荷的積累、測溫元件絕緣破損等因素都有可能導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。軸電壓建立起來后，一旦在轉(zhuǎn)軸及機(jī)座、殼體間形成通路，就產(chǎn)生軸電流。

2.4軸電流對軸承的破壞

正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜仍能保護(hù)其絕緣性能，不會產(chǎn)生軸電流。但是當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值時，尤其在電動機(jī)啟動時，軸承內(nèi)的潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，構(gòu)成回路，軸電流將從軸承和轉(zhuǎn)軸的金屬接觸點(diǎn)通過，由于該金屬接觸點(diǎn)很小，所以這些點(diǎn)的電流密度大，在瞬間產(chǎn)生高溫，使軸承局部燒熔，被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，于是在軸承內(nèi)表面上燒出小凹坑。一般由于轉(zhuǎn)軸硬度及機(jī)械強(qiáng)度比軸承燒熔合金的高，通常表現(xiàn)出來的癥狀是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕。

3 改進(jìn)措施

針對軸電流形成的根本原因，一般在現(xiàn)場采用如下防范措施：

(1)在軸端安裝接地碳刷，以降低軸電位，使接地碳刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，以此消除軸電流。

(2)為防止磁不平衡等原因產(chǎn)生軸電流，往往在非軸伸端的軸承座和軸承支架處加絕緣隔板，以切斷軸電流的回路。

(3)為了避免其他電動機(jī)附件導(dǎo)線絕緣破損造成的軸電流，往往要求檢修運(yùn)行人員細(xì)致檢查并加強(qiáng)導(dǎo)線或墊片絕緣，以消除不必要的軸電流隱患。

轉(zhuǎn)子軸電壓可以通過3盤軸承與靜子端蓋、靜子鐵心等形成閉合回路，只要切斷任意2只軸承的電流通道，閉合回路就不能形成。對下部軸承進(jìn)行改造。首先，在下部軸承小端蓋與電機(jī)上端蓋之間加絕緣，即將小端蓋結(jié)合面車去2mm，加入2mm厚的絕緣墊，小端蓋外圓包玻璃絲帶刷膠，螺栓套絕緣管并加絕緣墊。下部軸承甩油盒加絕緣墊。將兩臺電動機(jī)改造后，已運(yùn)行10個月，凝結(jié)水泵電動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，改進(jìn)取得了明顯效果。

4 結(jié)束語

改進(jìn)后的電動機(jī)運(yùn)行周期明顯延長，解決了循環(huán)泵電動機(jī)軸承壽命短的問題。通過長時間的穩(wěn)定運(yùn)行，證明這種方法對防治大型交流異步電動機(jī)軸電流的危害是合理可行的。