變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生因素分析及對(duì)策

王維，冷祥洪，胡慶軍

（1.梅山鋼鐵公司設(shè)備分公司，江蘇 南京 210039；2.梅山鋼鐵公司設(shè)備部，江蘇 南京 210039；3.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生因素分析及對(duì)策

王維1，冷祥洪2，胡慶軍3

（1.梅山鋼鐵公司設(shè)備分公司，江蘇 南京 210039；2.梅山鋼鐵公司設(shè)備部，江蘇 南京 210039；3.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

分析了變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生機(jī)理、流通路徑及危害，闡述了軸電壓測(cè)量方法和經(jīng)驗(yàn)限值，并從變頻電機(jī)本身運(yùn)行機(jī)理和結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，介紹了防止變頻電動(dòng)機(jī)軸電流危害的措施。

軸電流；軸電壓；變頻；危害；措施

隨著電力電子技術(shù)及新型半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到不斷提高，交流變頻電機(jī)應(yīng)用日益廣泛。但與此同時(shí)變頻電機(jī)軸電流導(dǎo)致軸承異常損壞的問(wèn)題也日益突顯。梅鋼公司在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也發(fā)生了諸如熱軋1780生產(chǎn)線E2立輥電機(jī)軸承受軸電流影響損壞的情況，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1 變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生的原因

所謂軸電壓是指轉(zhuǎn)軸兩端之間或轉(zhuǎn)軸與軸承之間的電位差。軸電壓由軸頸、油膜、軸承、基座及基礎(chǔ)底座構(gòu)成回路，當(dāng)油膜被破壞時(shí)，就在回路內(nèi)產(chǎn)生電流，即為軸電流。

1.1 變頻電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因

1）磁不平衡產(chǎn)生軸電壓。電動(dòng)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，造成在磁路中通切割轉(zhuǎn)軸，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。

2）變頻電源供電產(chǎn)生軸電壓。電動(dòng)機(jī)采用變頻電源供電時(shí)，電源三相輸出電壓的矢量和不為零，產(chǎn)生零序電壓分量（共模電壓）。當(dāng)電機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)軸承內(nèi)部形成油膜，在電機(jī)軸伸端和非軸伸端形成軸承電容Cb,Cnb,加之電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部耦合電容分壓影響（電機(jī)內(nèi)部定子繞組到機(jī)殼之間存在耦合電容Cwf,定子繞組到轉(zhuǎn)子之間存在耦合電容Cwr,轉(zhuǎn)子到機(jī)殼之間存在耦合電容Crf），整個(gè)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生軸承電壓，如圖1所示。

圖1 變頻電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)共模電壓模型Fig.1 Common-mode voltage model of frequency conversion motor drive system

結(jié)合電路理論分析，軸承電壓為

式中：Cb為默認(rèn)軸伸端軸承電容，并與非軸伸端軸承電容Cnb相等，即Cb=Cnb；Ub為軸電壓；Ucom為三相PWM變頻供電系統(tǒng)產(chǎn)生的共模電壓。

由于定子繞組和電機(jī)機(jī)殼之間存在很大的耦合電容，在高頻的du/dt下，經(jīng)定子繞組到機(jī)殼之間的耦合電容，產(chǎn)生電機(jī)繞組對(duì)地的漏電流，這些電流的頻率由100 kHz變化到幾MHz。這些頻率變化的對(duì)地電流將在電機(jī)轉(zhuǎn)軸周圍產(chǎn)生變化的磁通，這種變化的磁通會(huì)在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生軸電壓。

3）靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)周圍有較多高壓設(shè)備，在強(qiáng)電場(chǎng)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(chǎng)接線比較繁雜，尤其大電機(jī)保護(hù)、測(cè)量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，便會(huì)產(chǎn)生軸電壓。

5）其他原因。如靜電荷的積累、測(cè)溫元件絕緣破損等因素都有可能導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。

1.2 變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生的原因

軸電流流通路徑如圖2所示。正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間有潤(rùn)滑油膜的存在，起到絕緣的作用。對(duì)于較低的軸電壓，這層潤(rùn)滑油膜仍能保護(hù)其絕緣性能，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但是當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，尤其在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軸承內(nèi)的潤(rùn)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，形成軸電流。

圖2 軸電流流通路徑Fig.2 Shaft current flow path

2 軸電流的危害

軸電流將從軸承和轉(zhuǎn)軸的金屬接觸點(diǎn)通過(guò)，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，如圖3所示。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(lái)的癥狀是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕。

圖3 受軸電流作用后的軸承Fig.3 Damaged bearing by shaft current

3 軸電壓經(jīng)驗(yàn)限值和測(cè)量方法

3.1 軸電壓經(jīng)驗(yàn)限值

電動(dòng)機(jī)所容許的軸電壓或軸電流的大小與軸承狀況、安裝質(zhì)量、軸電流流經(jīng)路徑的阻抗等許多因素有關(guān)。因此，軸電壓的限值難以具體規(guī)定。目前，國(guó)內(nèi)或IEC關(guān)于軸電壓或軸電流限值標(biāo)準(zhǔn)尚未形成，只有一些建議性規(guī)定（如西門子公司規(guī)定電機(jī)出廠空載軸電壓要限制在350 mV以下，如果超過(guò)該值，軸承必須絕緣）。實(shí)踐中，對(duì)于滾動(dòng)與滑動(dòng)軸承，通?？砂幢韑所列范圍適當(dāng)掌握軸電壓限值。

表1 軸電壓對(duì)滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承的影響Tab.1 The effect of shaft voltage on rolling bearing and sliding bearing

3.2 軸電壓測(cè)量方法

軸電壓是感應(yīng)信號(hào)，一般在10 V以下，測(cè)量時(shí)要求電壓表或測(cè)量裝置有很高的輸入內(nèi)阻，否則，信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量回路泄漏，測(cè)量到的信號(hào)會(huì)有較大衰減。實(shí)際操作中，在電機(jī)運(yùn)行于空載和負(fù)載狀態(tài)下分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量過(guò)程如圖4所示。

圖4 軸電壓測(cè)量示意圖Fig.4 Shaft voltage measurement schematic diagram

測(cè)量前應(yīng)將軸上原有的接地保護(hù)電刷提起，然后按圖4a所示，把發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸與軸承用銅刷短路。用電壓表測(cè)軸電壓U1（測(cè)量的連接線與轉(zhuǎn)軸必須用專用電刷，且電刷上應(yīng)具有300 mm以上的絕緣手柄）。然后僅將非出軸端（勵(lì)磁機(jī)側(cè)）軸承與軸短接，如圖4b所示，測(cè)非出軸端對(duì)地的軸電壓U2（非出軸端一般為絕緣軸承）。比較U1和U2，可知軸承絕緣狀況，一般U2=U1時(shí)，表示絕緣狀況良好；U1＞1.1U2時(shí)，表示絕緣情況不良，需要處理；當(dāng)U2＞U1時(shí)，表示測(cè)量錯(cuò)誤。

實(shí)測(cè)舉例。一臺(tái)容量為62 500 kW，電壓為10.5 kV汽輪發(fā)電機(jī)的軸電壓測(cè)量。測(cè)量時(shí)，定子電流Is=2 250 A，定子電壓Us=10.5kV，轉(zhuǎn)子電流Ir=395A，有功負(fù)荷P=37 000kW。

測(cè)量結(jié)果如下：

1）U1的測(cè)量如圖4a接線，共測(cè)量2次：①4.6 V；②4.6 V；平均為4.6 V。同時(shí)測(cè)量U2，共測(cè)量2次：①4.6 V；②4.6 V；平均為4.6 V。

2）短接勵(lì)磁側(cè)軸與軸承，消除勵(lì)磁側(cè)油膜壓降影響，如圖4b所示，測(cè)得U2=4.5 V。

3）短接汽輪機(jī)側(cè)軸與軸承，消除汽輪機(jī)側(cè)油膜壓降影響，如圖4c所示，測(cè)得U2=0.13 V。

從以上測(cè)量結(jié)果可以看出，U1≈U2，說(shuō)明勵(lì)磁機(jī)側(cè)絕緣墊塊的絕緣良好。汽輪機(jī)側(cè)軸承油膜壓降ΔU=4.6-4.5=0.1 V,說(shuō)明汽機(jī)側(cè)軸承壓降較小。勵(lì)磁機(jī)側(cè)軸承油膜壓降ΔU=4.6-0.13=4.47 V,說(shuō)明勵(lì)磁機(jī)側(cè)軸承油膜壓降較高，如果軸承座絕緣不好，很可能將油膜擊穿，放電損傷軸承。

4 抑制軸電壓產(chǎn)生危害的對(duì)策

前已述及，軸電壓一般無(wú)法避免。但軸電壓造成損害必須具備2個(gè)條件：一是軸電壓存在；二是軸承的絕緣（潤(rùn)滑油膜）破壞，給軸電流提供了通路，二者缺一不可。既然軸電壓無(wú)法避免，那就應(yīng)把重點(diǎn)放在軸電流的防治工作中。對(duì)于滾動(dòng)軸承電機(jī)，由于油膜或潤(rùn)滑脂膜很薄，對(duì)軸電壓的作用比較敏感，一般容量在160 kW左右的變頻專用電機(jī)就有必要采取措施預(yù)防軸電流。一般在現(xiàn)場(chǎng)采取如下防范措施：

1）變頻器—電機(jī)之間的動(dòng)力線采用隔離電纜，因隔離層接地可以為共模電流提供一個(gè)路徑導(dǎo)入地網(wǎng)中；

2）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。這里需要強(qiáng)調(diào)的是接地碳刷一定要保持適當(dāng)壓力，且滑動(dòng)接觸面接觸良好。梅鋼1 780生產(chǎn)線E2立輥電機(jī)為了保證上軸端防水效果，在上出軸端加置了1個(gè)防水盤（出軸端直徑425 mm，防水盤外徑636 mm），這樣一來(lái)，原本與軸直接接觸的碳刷變更為與防水盤外緣直接接觸，防水盤外緣線速度差不多是軸外緣線速度的1.5倍，導(dǎo)致接地碳刷磨損過(guò)快（接地碳刷位于上出軸端，日常也不方便檢查），加之防水盤使用的是普碳鋼，導(dǎo)電性能不良，進(jìn)而導(dǎo)致軸電流燒蝕軸承的惡性事故；

3）良好的接地系統(tǒng)，如電機(jī)機(jī)座與負(fù)載連接后共同接地；

4）在非軸伸端的軸承座加絕緣隔板，以切斷軸電流的回路，如圖5所示（當(dāng)然最簡(jiǎn)單的方法是采用絕緣軸承，但絕緣軸承價(jià)格昂貴，1套SKF6319絕緣軸承價(jià)格在5 000元以上）。

圖5 軸承座絕緣示意圖Fig.5 Bearing block insulation schematic diagram

在采取了以上措施后，軸電流能得到有效抑制，如圖6所示。圖2中的路線①不再流經(jīng)非負(fù)荷端，而且流經(jīng)負(fù)荷端時(shí)不再經(jīng)過(guò)軸承，而是通過(guò)接地碳刷接地；路線②不再流經(jīng)電機(jī)負(fù)荷端軸承和負(fù)載軸承，而是直接接地；路線③不再流經(jīng)負(fù)載軸承；路線④仍然是直接導(dǎo)入地網(wǎng)。

圖6 采取軸電流抑制措施后軸電流回路示意圖Fig.6 Shaft current flow path after taking suppression measures

值得提出的是加油管等一些輔助裝置的絕緣也極其重要。如果這些輔助裝置絕緣措施做得不到位，仍然可能給軸電流流通構(gòu)成回路。圖7就是某高壓電機(jī)由于加油管接地（加油管與機(jī)座接觸，造成接地，如圖8所示）造成軸電流燒蝕軸承。解決措施之一就是在加油管上套熱縮絕緣套管，如圖9所示。采用此方法，對(duì)加油管進(jìn)行絕緣處理后，該高壓電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，2 a來(lái)，再未出現(xiàn)軸承因軸電流燒蝕的現(xiàn)象。

圖7 加油管接地引起軸電流燒蝕軸承Fig.7 Damaged bearing by shaft current（caused by grounded refueling pipe）

圖8 加油管接地Fig.8 Grounded refueling pipe

圖9 采取絕緣措施后的加油管Fig.9 Insulated refueling pipe

5 結(jié)論

在PWM變頻供電電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，軸電壓、軸電流產(chǎn)生的機(jī)理非常復(fù)雜，也不易測(cè)量，國(guó)內(nèi)外尚未有明確的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范它。但在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，我們必須采取相應(yīng)的措施來(lái)抑制軸電流。目前來(lái)看，采取絕緣措施、可靠接地措施是最實(shí)用的方法。另外，通過(guò)對(duì)電機(jī)軸承定期振動(dòng)檢測(cè)，結(jié)合頻譜分析，也可幫助我們發(fā)現(xiàn)軸電流造成的早期損壞。

Analysis of Shaft-current Production Factors of the Frequency-control Motor and Its Solution

WANG Wei1，LENG Xianghong2，HU Qingjun3
（1.Equipment Department of Meishan Iron&Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210039，Jiangsu，China；2.Equipment Branch of Meishan Iron&Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210039，Jiangsu，China；3.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

The mechanism of shaft current was analyzed，and as well as its flow path and detriment.Shaft voltage measurement method and experience limit value were also given.Based on the structure and the operating principle of frequency control motor，preventions of shaft current were introduced.

shaft current；shaft voltage；frequency conversion；detriment；solution

TM307

A

10.19457/j.1001-2095.20170616

2016-05-04

修改稿日期：2016-07-11

王維（1982-），男，碩士研究生，工程師，Email：184662533@qq.com