大型水電站異步電動機典型故障分析及應(yīng)對措施

二灘水力發(fā)電廠 張樹忠

鼠籠式異步電動機在大型水電站有著廣泛的用途，主要應(yīng)用于油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、門機、橋機、啟閉機等起重設(shè)備的動力驅(qū)動。本水電站異步鼠籠式電動機主要有400V和6kV兩種，一般情況下高壓電動機功率越高啟動力矩就越大，故障后果影響也越大。特別是6kV電動機，作為廠房汛期防汛的重要設(shè)備，保證其運行的穩(wěn)定性和可靠性，具有十分重要的意義。在三相交流異步鼠籠式電動機的運行過程中，轉(zhuǎn)子鼠籠斷條現(xiàn)象十分常見。發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條的電動機，在運行過程中振動和噪聲增大，過載能力下降，若繼續(xù)運行斷條彈出后將劃傷定子繞組端部的絕緣。

本水電站廠房6kV深井排水泵三相交流異步鼠籠式電動機經(jīng)過多年運行，先后共有三臺電動機發(fā)生故障，分別是廠房#1滲漏排水泵電動機轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂引起6kV母線602M電壓波動；廠房#3滲漏排水泵電動機轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂彈出將定子繞組絕緣刮傷，造成定子繞組三相對地擊穿短路，定子繞圈燒毀；6kV電動機大修轉(zhuǎn)子吊芯檢查時，發(fā)現(xiàn)#1滲漏排水泵電動機轉(zhuǎn)子鼠籠條有一根斷裂。

1 鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條常見原因分析

頻繁重載啟動。電動機起動時定子電流約為額定電流的4~7倍，此時轉(zhuǎn)子鼠籠條因最大的感應(yīng)電流而很快升溫，材料強度下降、熱應(yīng)力增加，再加上電磁扭矩的劇烈沖擊，使鼠籠條與端環(huán)在相對運動中產(chǎn)生較大的剪切力和端環(huán)不平衡轉(zhuǎn)動的離心力。頻繁起動使效應(yīng)累積至材料疲勞極限，起動、運行中就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂。

制造尺寸偏小。因設(shè)計鼠籠條尺寸偏小，槽與鼠籠條的間隔偏大，長期在離心力作用下鼠籠條產(chǎn)生徑向位移，使鼠籠條的梯形上底邊與鐵芯處于同一圓柱面甚至凸出柱面，此時槽體斜鍵不能撐緊鼠籠條，鼠籠條在槽內(nèi)會發(fā)生振動，甚至產(chǎn)生火花灼傷鼠籠條與鐵芯。

焊接工藝不良。在銅條轉(zhuǎn)子中鼠籠條與端環(huán)的焊接是用磷銅焊條進行的，如果焊接質(zhì)量不佳，焊接處受力后很快開焊，鼠籠條焊接處因加熱溫度較高，導(dǎo)致應(yīng)力最集中部位的材質(zhì)強度降低，導(dǎo)致鼠籠條斷裂。整個機組振動較大如由于機組的整體強度系數(shù)不夠、找正不好、不平衡、靠背輪磨損嚴重、不同心等原因，導(dǎo)致電動機長期在大的振動下起動運行，會使鼠籠條嚴重破損、顫動、疲勞而引起斷條。

電動機起動時間長。當(dāng)電動機因負載機械卡塞或選型不當(dāng)使其起動力矩偏小時，都會造成起動時間過長。起動時間長會使鼠籠的溫度猛增而容易損壞；斷條后檢修不及時。鼠籠條斷條很少時，因?qū)﹄妱訖C的運轉(zhuǎn)影響不大而難于被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電動機在起動時冒火、振動、噪音增大、轉(zhuǎn)速下降等異常時，斷條已是很嚴重了。

鼠籠式轉(zhuǎn)子斷條的發(fā)展過程：在即將斷裂的部位經(jīng)常出現(xiàn)過熱、很高的熱應(yīng)力或機械應(yīng)力；在達到疲勞極限時，鼠籠條斷裂并產(chǎn)生電??；在連續(xù)起動時，相鄰的鼠籠條通過更大的電流，并承受更大的熱應(yīng)力或機械應(yīng)力；造成更多的鼠籠條斷裂，故障更加嚴重，產(chǎn)生較大的單邊磁拉力，使電動機產(chǎn)生振動、噪聲、定子電流波動和溫升增加、轉(zhuǎn)速波動。

2 6kV三相鼠籠式異步電動機發(fā)生斷條故障分析

2.1 斷條故障回顧

廠房#1滲漏排水泵：08-29，廠房#1滲漏排水泵轉(zhuǎn)子斷條、燒損電動機，將#1檢修排水泵更換至#1滲漏排水泵，原滲漏泵轉(zhuǎn)子斷條報廢，#1檢修排水泵更換新電動機；03-09，抽芯檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有1根斷條，將該電動機進行更換。廠房#3滲漏排水泵：10月廠房#3滲漏排水泵電動機轉(zhuǎn)子鼠籠鼠籠條斷裂彈出刮傷定子繞組絕緣，造成定子繞組三相對地擊穿短路，燒毀定子繞圈；對電動機進行更換。

2.2 電動機的控制運行的方式

3臺滲漏泵電動機主要為廠房滲漏排水系統(tǒng)提供動力。主要收集廠房內(nèi)6臺機組的頂蓋排水、水泵房濾水器排水、機坑排水、主變室排水、補氣水封排水、及尾水管進人門滲漏排水、水輪機層的滲漏排水、廠房內(nèi)各部排水溝的排水，通過控制系統(tǒng)對深井泵啟?？刂?，經(jīng)2條排水管將水及時排至＃1、＃2尾水調(diào)壓室?？刂品绞接羞h方方式、現(xiàn)地手動、PLC自動循環(huán)、人工選擇啟動順序。

正常運行時為PLC自動循環(huán)，即當(dāng)水位達到第一啟動水位時，輪換到“第一啟動”位置的排水泵投運，先打開潤滑水的電磁閥，檢測潤滑水信號正常后延時啟動排水泵；如無潤滑水則報警，同時啟動下一臺排水泵。當(dāng)排水泵啟動后延時檢測泵無出水則立即停泵同時報警。當(dāng)水位達到第二啟動水位時，輪換到“第二啟動”位置的排水泵投運；當(dāng)水位達到第三啟動水位時，輪換到“第三啟動”位置的排水泵投運。當(dāng)水位達到停泵水位時所有的排水泵停止。3臺泵的啟動順序自動輪換，當(dāng)某臺有故障時則自動組合剩下2臺泵的啟動順序。

5臺檢修泵電動機主要為廠房機組檢修排水系統(tǒng)提供動力。主要收集廠房內(nèi)6臺機組檢修時的蝸殼放空排水、壓力鋼管排水、尾水管排水、上下游閘門的漏水，通過控制系統(tǒng)對深井泵啟停控制，經(jīng)2條排水管將水及時排至＃1、＃2尾水調(diào)壓室。控制原理與3臺滲漏泵電動機相同。

2.3 廠房6kV電動機運行時間統(tǒng)計

對廠房8臺6kV電動機運行次數(shù)及運行時間進行統(tǒng)計，分別在枯水期和汛期進行統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)分析：從表1、表2可得出，廠房滲漏泵（61SB、62SB、63SB）的平均每天運行次數(shù)、平均運行時間均遠大于廠房檢修泵（61JB、62JB、63JB、64JB、65JB）；廠房滲漏泵（61SB、62SB、63SB）在汛期平均每天運行次數(shù)大于其在檢修期運行次；廠房檢修泵（61JB、62JB、63JB、64JB、65JB）在汛期平均運行次數(shù)與檢修期相差不大，平均運行時間在檢修期略高于汛期。

表1 廠房電動機啟動次數(shù)、運行時間統(tǒng)計（枯水期12.20-4.19）

表2 廠房電動機啟動次數(shù)、運行時間統(tǒng)計（汛期6.18-8.19）

2.4 轉(zhuǎn)子斷條原因總結(jié)

發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障的電動機均為滲漏排水泵電動機。根據(jù)8臺電動機的運行模式，滲漏泵電動機只有3臺，檢修泵電動機5臺。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)分析可得，滲漏泵電動機總啟動次數(shù)、總運行時間均遠大于檢修排水泵電動機；運行年限長。從發(fā)電至現(xiàn)在已運行十年之久；啟動頻繁。從電動機運行方式和數(shù)據(jù)分析可看出，到達水位自動運行，且水電站廠房位于地下廠房，滲漏水較多；在有輕度斷條故障時沒有及時檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致繼續(xù)運行，擴大斷條數(shù)目；長期處于振動環(huán)境。8臺電動機均位于#6機組水輪機旁邊，機組長期運行，帶動電動機基礎(chǔ)振動，導(dǎo)致電動機部分受力不平衡；電動機本身缺陷。設(shè)計制造時材料選擇、制造工藝存在缺陷或焊接不牢，進而導(dǎo)致運行時發(fā)生故障。

3 應(yīng)對措施

3.1 加強設(shè)備巡視

對于檢修排水泵與廠房滲漏排水泵電機每天至少巡回檢查一次，并監(jiān)視CCS上電機是否有相關(guān)設(shè)備異常報警信號。在日常巡檢中要重點檢查以下設(shè)備運行情況：電動機運行時聲音無異音、無焦味，振動不超過允許值；電動機各部分的溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，外殼及軸承不過熱；電動機外殼接地良好，電纜引入線固定牢固；電動機運行中三相電壓平衡，電流不超過額定值；、軸承潤滑良好，油位正常，油環(huán)轉(zhuǎn)動靈活；電動機側(cè)電纜無滲油，保險及接頭不過熱；各有關(guān)信號指示及電動機控制裝置應(yīng)完整良好。

3.2 科學(xué)安排設(shè)備運行方式

所有6kV異步電動機正常運行中不允許超過銘牌定額運行，電動機在額定電壓95~105%范圍內(nèi)運行,其額定出力不變；電動機在額定出力運行時,相間電壓不平衡不得超過額定值的5%；電動機定子電流任一相不得超過額定值，三相電流不平衡最大不得超過額定值15%；檢修后的電動機需測量絕緣電阻值后方可啟動運行。

禁止電動機在無保護情況下投入運行檢修后首次啟動電動機時，應(yīng)查看電動機的轉(zhuǎn)向正確，并監(jiān)視電動機啟動電流和運行電流，運行電流不應(yīng)超過額定值。正常情況下手動啟動電動機禁止在啟動瞬間立即停止，必須轉(zhuǎn)速正常后，才能進行停止操作。但缺相運行、機械卡阻、電動機不轉(zhuǎn)動并伴有嗡嗡聲時，應(yīng)立即停止。電動機啟動間隔時間不應(yīng)小于5分鐘，備用電動機應(yīng)處于隨時可投入運行狀態(tài)。對于不運轉(zhuǎn)的備用電動機，在做定期切換時應(yīng)手動啟動電動機試運行，檢查是否運行正常。檢修排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)的電動機采用PLC自動切換方式，并在月設(shè)備運行分析中分析統(tǒng)計各電機運行時常。

3.3 加強設(shè)備制造工藝

為防止轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂的措施是制造單位應(yīng)提高電動機制造質(zhì)量，改進工藝和結(jié)構(gòu)，盡量使鼠籠條與轉(zhuǎn)子槽緊密配合，形成一個堅固的整體、不使其松動，并應(yīng)采用新技術(shù)、新材料、新工藝。設(shè)計單位應(yīng)在選擇電動機時充分考慮其安全性和可靠性。

綜上，電站廠房6kV鼠籠式異步電動機發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條的均為滲漏排水泵電動機，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂原因是：長期位于振動區(qū)域，電動機重載啟動頻繁，運行時間較長，出現(xiàn)輕微或少量轉(zhuǎn)子斷條未及時發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致事故擴大。通過數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化運行方式，改善設(shè)備運行工況，定期工作及時優(yōu)化檢查項目。