空調(diào)器風(fēng)扇電機(jī)故障模擬及致災(zāi)機(jī)理研究

王 詩

(蘇州市消防救援支隊(duì)，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，在各類家用電器保有量急劇增加的同時(shí)也帶來了該類火災(zāi)數(shù)量的攀升。在電器設(shè)備故障引起的火災(zāi)中有一類不容忽視，那就是空調(diào)器火災(zāi)。在城鎮(zhèn)住宅中，每家每戶基本上都會(huì)配置適宜功率的空調(diào)，但是由于一些建筑電氣設(shè)計(jì)嚴(yán)重老化，加之部分空調(diào)器質(zhì)量不過關(guān)、人為操作不當(dāng)以及外界條件作用等不確定因素影響，使其在工作過程中具有一定的火災(zāi)危險(xiǎn)性，日益增多的空調(diào)火災(zāi)給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大威脅[1]。

1 主要研究?jī)?nèi)容

本研究結(jié)合火災(zāi)調(diào)查實(shí)際情況，選取家用空調(diào)中易發(fā)生故障的部件風(fēng)扇電機(jī)作為研究對(duì)象，進(jìn)行故障模擬試驗(yàn)，同時(shí)觀察、記錄電機(jī)在模擬試驗(yàn)條件下的特征參數(shù)變化。對(duì)空調(diào)器風(fēng)扇電機(jī)在不同故障下的火災(zāi)危險(xiǎn)性和起火后的痕跡特征進(jìn)行深入研究，可為此類火災(zāi)的原因認(rèn)定以及防范提供參考依據(jù)。

2 風(fēng)扇電機(jī)結(jié)構(gòu)特征及故障形式

家用空調(diào)器用到的電機(jī)主要有室內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)和室外風(fēng)扇電機(jī)，一般為電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)，其作用是通過磁場(chǎng)效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以此帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。電機(jī)內(nèi)部分為固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分：固定部分由鐵芯和繞組構(gòu)成，鐵芯由硅鋼片疊壓而成，繞組一般由高強(qiáng)度聚酯漆包線繞制而成；轉(zhuǎn)動(dòng)部分由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸組成。為了防止電機(jī)過熱損壞，一般都需設(shè)置過熱保護(hù)電路。電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)的拆解結(jié)構(gòu)及在空調(diào)內(nèi)的電路連接方式如圖1，圖2所示。

風(fēng)扇電機(jī)工作系統(tǒng)中有兩種常見的故障形式：?jiǎn)?dòng)電容失效以及過載(極端情況為電機(jī)堵轉(zhuǎn))。電機(jī)的啟動(dòng)電容在長(zhǎng)期工作后，自身質(zhì)量下降的同時(shí)如果受到外部異常電壓沖擊，兩電極之間可能被擊穿，主副繞組將直接并聯(lián)接入電路，導(dǎo)致電路電流突增燒毀電機(jī)。此外，由于空調(diào)室外機(jī)安裝在室外，不但高溫、雨雪、冰凍等惡劣的自然條件會(huì)加速空調(diào)室外機(jī)部件的老化，更會(huì)有異物進(jìn)入室外機(jī)格柵，阻擋或卡住運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，造成風(fēng)扇電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)，引起繞組電流突增燒毀電機(jī)。

3 故障模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料和儀器

某品牌空調(diào)器風(fēng)扇電機(jī)(電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī))、啟動(dòng)電容、導(dǎo)線、紅外熱像儀、K型熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、鉗形電流表、攝像機(jī)、火災(zāi)模擬試驗(yàn)箱。

3.2 試驗(yàn)方法及步驟

3.2.1 啟動(dòng)電容失效故障

1)將風(fēng)扇電機(jī)內(nèi)部的熱保護(hù)元件摘除；2)將啟動(dòng)電容的正負(fù)級(jí)用導(dǎo)線直接相連；3)接通電源，監(jiān)測(cè)電路中的電流大小，利用熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測(cè)電機(jī)各部位溫度變化。

3.2.2 過載(堵轉(zhuǎn))故障

1)將風(fēng)扇電機(jī)內(nèi)部的熱保護(hù)元件摘除；2)用外物卡住電機(jī)轉(zhuǎn)子，使得電機(jī)在接通電源后處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；3)接通電源，監(jiān)測(cè)電路中的電流大小，利用熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測(cè)電機(jī)各部位溫度變化。

4 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

4.1 風(fēng)扇電機(jī)正常工作狀態(tài)

試驗(yàn)中使用風(fēng)扇電機(jī)的基本參數(shù)為：額定功率20 W，額定電流0.38 A，繞組絕緣等級(jí)B級(jí)。根據(jù)GB 755—2008旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能的要求[2]，B級(jí)絕緣的最高允許溫度為130 ℃，繞組溫升限值為80 K。風(fēng)扇電機(jī)在正常狀態(tài)下接入電源，測(cè)得正常工作電流為0.21 A；電機(jī)正常運(yùn)行后溫度趨于平穩(wěn)，整體平衡溫度低于95 ℃；金屬外殼表面的平衡溫度約為60 ℃。

4.2 啟動(dòng)電容失效故障試驗(yàn)

在啟動(dòng)電容短接的情況下接通電源。用鉗形電流表監(jiān)測(cè)故障電流為0.98 A，相比于正常工作時(shí)的電流增加157.9%。試驗(yàn)開始8 s時(shí)，繞組內(nèi)部冒煙；39 s時(shí)出現(xiàn)“咔噠”爆裂聲響，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)；1 min 23 s時(shí)電機(jī)發(fā)生爆燃，各散熱孔均有火焰往外噴出；2 min 24 s后火焰完全熄滅。試驗(yàn)中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象如圖3所示。

接通電源后，啟動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組漆包線表面溫度迅速升高，幾乎同時(shí)在39 s左右達(dá)到150 ℃。隨即主繞組瞬間被破壞斷開，溫度急劇下降。此時(shí)，電源電壓完全施加在副繞組之上，副繞組流經(jīng)電流增大，直至84 s左右風(fēng)扇電機(jī)整體發(fā)生爆燃。各部位經(jīng)烘烤后溫度達(dá)到峰值，而后開始下降。內(nèi)層線圈表面最高溫度達(dá)250 ℃。

電機(jī)故障起火后的燒毀情況如圖4所示。電源引線與繞組的接線端燒毀嚴(yán)重；啟動(dòng)繞組運(yùn)行繞組燒毀嚴(yán)重。在電源線與繞組漆包導(dǎo)線相鉸接的部位，內(nèi)外側(cè)繞組均被燒黑，繞組表面貼附的塑料紙和用以捆綁固定繞組的細(xì)繩由于高溫融化粘連在一起。燒毀最嚴(yán)重的繞組所嵌入的硅鋼片槽邊緣部分由于高溫和火燒作用變色嚴(yán)重，呈炭黑色。啟動(dòng)繞組全線過熱，炭化變黑，燒損嚴(yán)重，而運(yùn)行繞組燒損則較輕[3]。

4.3 過載(堵轉(zhuǎn))故障試驗(yàn)

使用外物卡住電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，模擬異物進(jìn)入或機(jī)械故障導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子卡死堵轉(zhuǎn)的情況。用鉗形電流表監(jiān)測(cè)故障電流為0.47 A，相比于正常工作時(shí)的電流增加23.7%。將電機(jī)接入電路后，機(jī)體發(fā)出持續(xù)的“嗡嗡”噪聲。試驗(yàn)開始79 min 13 s時(shí)，白煙從電機(jī)頂部空隙中冒出，煙釋放速率持續(xù)增加；80 min 27 s時(shí)電機(jī)底部冒出電火花，火焰瞬間從電機(jī)的頂部和底部突破；80 min 37 s時(shí)火焰完全熄滅。試驗(yàn)中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象如圖5所示。

通電后，電機(jī)各部位溫度持續(xù)上升，約80 min時(shí)，由于電機(jī)內(nèi)部打火引起整個(gè)電機(jī)爆燃而后有持續(xù)明火燃燒，各部位在明火烘烤之下溫度突躍達(dá)到峰值。電機(jī)內(nèi)部電路隨即被破壞切斷，各部位溫度也隨之迅速下降。試驗(yàn)過程中，外層線圈表面溫度最高達(dá)到202.7 ℃。

電機(jī)故障起火后的燒毀情況如圖6所示。用來固定繞組線圈的綁繩因高溫烘烤而斷裂松散。電機(jī)的頂蓋和底蓋對(duì)應(yīng)故障繞組線圈的位置均有明顯灼燒痕跡。燒毀的一匝線圈位于啟動(dòng)繞組上，且啟動(dòng)繞組上有且僅有該匝線圈被燒毀，燒毀線圈所在的位置即電源引線和繞組相鉸接的繞組端部，保護(hù)二者連接處的塑料套管有嚴(yán)重的炭化變色燒損痕跡。

4.4 故障引燃機(jī)理分析

將上述模擬試驗(yàn)中對(duì)電機(jī)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)加以整理，如表1所示。

表1 試驗(yàn)中電機(jī)溫升情況統(tǒng)計(jì)

啟動(dòng)和運(yùn)行繞組在故障狀態(tài)下的溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了B級(jí)絕緣的溫升極限值80 K。電機(jī)內(nèi)部繞組采用聚酯絕緣漆包線，該絕緣材料在故障產(chǎn)生的高溫下會(huì)受到嚴(yán)重破壞，極易發(fā)生匝間短路，在電機(jī)的狹小空間內(nèi)，短路瞬間產(chǎn)生的電弧和高溫可能點(diǎn)燃絕緣材料熱解產(chǎn)物，引起電機(jī)整體爆燃[4-5]。該過程的引燃時(shí)間可參考固體可燃材料受熱引燃時(shí)間：

tig=tpy+tmix+tR。

其中，tig為引燃時(shí)間；tpy為絕緣熱分解所需時(shí)間；tmix為可燃?xì)怏w擴(kuò)散揮發(fā)時(shí)間；tR為發(fā)生熱失控反應(yīng)所需時(shí)間。

其中，tpy遠(yuǎn)大于后兩者之和，故主要考察絕緣材料受熱分解導(dǎo)致破壞失效的情況。絕緣材料受熱分解失效的過程可用Arrhenius方程表示為：

其中，K為絕緣材料在T溫度下的失效速率；As為前因子，與材料本身性質(zhì)有關(guān)；Es為材料分解失效反應(yīng)的活化能；R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K。

由上述公式推導(dǎo)，繞組表面聚酯絕緣材料在T1和T2溫度下，兩者的失效速率關(guān)系可以表示為：

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中的測(cè)定，取聚酯材料的熱分解活化能Es為125 kJ/mol。其中T1取模擬試驗(yàn)中的環(huán)境溫度20 ℃(293 K)。當(dāng)電機(jī)絕緣達(dá)到B級(jí)絕緣的極限溫升80 K時(shí)，根據(jù)上式估算，絕緣失效速率是常溫下的60 210倍。在本文的試驗(yàn)中，故障狀態(tài)下繞組表面的溫升均在100 K以上，這會(huì)使得絕緣在極短時(shí)間內(nèi)被破壞并導(dǎo)致匝間短路。

5 結(jié)語

對(duì)于空調(diào)器風(fēng)扇電機(jī)，啟動(dòng)電容失效故障發(fā)生后1 min左右起火；被堵轉(zhuǎn)的風(fēng)扇電機(jī)約80 min后起火燃燒。故障的發(fā)生會(huì)引起電機(jī)各部位，尤其是繞組引線與電源線焊接點(diǎn)的異常溫升，最終引燃繞組絕緣及周圍可燃物。起火后的電機(jī)主副繞組的其中一組或兩組全部斷開，繞組上有數(shù)匝燒毀特別嚴(yán)重，電機(jī)內(nèi)熱痕跡明顯。對(duì)于該類火災(zāi)的模擬試驗(yàn)也提示我們火災(zāi)調(diào)查人員，對(duì)于由空調(diào)器自身部件故障引起的火災(zāi)事故，要盡可能多地尋找符合空調(diào)部件故障起火特征規(guī)律的痕跡物證，與其他形式的證據(jù)相互印證形成完整證據(jù)鏈，綜合分析認(rèn)定其火災(zāi)原因。