軸電流引起的電機(jī)軸承燒損事故分析

1、 軸電流引起的電機(jī)軸承燒損事故分析周文,唐建惠,康麗華河北省電力研究院,河北石家莊(050021摘要通過對某電廠高壓電機(jī)軸承過熱故障進(jìn)行分析,闡述了變頻調(diào)速電動機(jī)軸電壓和軸電流產(chǎn)生的原因,形成的危害以及采取的技術(shù)措施。關(guān)鍵詞變頻調(diào)速;軸電流;軸承;絕緣Fault Ana lysis on the Burned M otor Bear i n g Caused by Bear i n g Curren t Zhou W en,Tang J ianhu i,and Kang L ihuaAbstractThr ough analyzing failure of the overheated hig

2、h2voltage mot or bearing in a electric stati on,this paper describes the reas ons and har m s p r oduced by shaft voltage and shaft current of the variable2frequency adjustable2s peed mot or as well as the technical measures that should be taken.Key wordsVariable2frequency adjustable2s peed;bearing

3、current;bearing;insula2 ti on0引言某熱電廠2×300MW機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)的高壓電機(jī)采用變頻調(diào)速控制,在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)電機(jī)的軸承有過熱現(xiàn)象。如給水泵電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)軸承溫度高,軸承受到燒損,從機(jī)械方面分析采取措施后效果不明顯。經(jīng)分析檢查是由于軸電流作用造成的。給水泵電機(jī)的型號為YKS71024,額定功率為3600k W,額定電壓為6k V,額定電流為394A;采用滑動軸承,高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),裝置型號為HARS VERT2A。1軸電壓產(chǎn)生的原因旋轉(zhuǎn)電機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生軸電壓的原因有軸交鏈交變磁通和靜電荷積累兩種。前者產(chǎn)生的軸電壓是連續(xù)的、周期性的。通常轉(zhuǎn)子切割磁場感應(yīng)的

4、交變電勢所產(chǎn)生的交變電流也是對稱的,因此,正常時(shí)轉(zhuǎn)子兩端間不會有不對稱電壓的出現(xiàn)。但是當(dāng)電動機(jī)的定子鐵心的圓周方向上的磁阻出現(xiàn)不平衡時(shí),便產(chǎn)生與軸相交鏈的含有諧波的交變磁通,這時(shí)就會產(chǎn)生不對稱的交變電勢。隨著磁極的旋轉(zhuǎn),其與軸相交鏈的磁通交替變化,便產(chǎn)生了軸電壓。這種電壓是沿軸向而產(chǎn)生的。一般情況下,這種軸電壓大約12V。然而靜電荷產(chǎn)生的軸電壓是間歇的,并且是非周期的,其大小與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、流體的狀態(tài)等因素有關(guān)。電動機(jī)在運(yùn)行過程中,負(fù)載方面的流體會與運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)體有摩擦,因而在旋轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生靜電電荷,電荷逐漸積累便產(chǎn)生軸電壓。由這種情況產(chǎn)生的軸電壓和由磁交變產(chǎn)生的軸電壓在機(jī)理上是不同的。軸電壓通常81

5、0V左右。測量時(shí)使用10 20V的高內(nèi)阻電壓表,在被試電機(jī)運(yùn)行于空載和負(fù)載的情況下分別進(jìn)行測試,測試方法如圖1所示,分別測量U1和U2。(a兩端軸承短路(b勵磁機(jī)側(cè)軸承短路(c汽機(jī)側(cè)軸承短路圖1軸電壓的測量注意測點(diǎn)表面要和電壓表引線接觸良好。U1=U2表明油膜絕緣良好,U1>1.1U2說明絕緣不良。43 2軸電流的形成和危害大中型交流電動機(jī)運(yùn)行中,轉(zhuǎn)子軸電壓一旦形成回路,就會產(chǎn)生軸電流。軸與軸瓦之間采用油潤滑,電機(jī)軸是壓在油膜上的。由于軸電壓幅值較低,所以油膜的絕緣一般是不會被擊穿的。 在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,如果出現(xiàn)潤滑油脂不合要求或缺油等情況,將會導(dǎo)致油膜破裂擊穿,造成軸和軸瓦形成金屬

6、性接觸,在瞬間軸電壓會形成閉合回路,形成低電壓擊穿。這時(shí),產(chǎn)生的軸電流相當(dāng)大,瞬間可達(dá)到幾百安甚至上千安,足以燒壞軸頸和軸瓦。由運(yùn)行摩擦在軸上產(chǎn)生的靜電電荷逐漸積累,使軸電壓的電位因充電而不斷升高。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軸接觸到旋轉(zhuǎn)體以外的任何部件時(shí),便通過該部件進(jìn)行放電。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軸一直不接觸旋轉(zhuǎn)體外的部件時(shí),會一直積累電荷,最后產(chǎn)生過高的電壓。如果該電壓超過軸承油膜的絕緣強(qiáng)度,那么電荷在極短的時(shí)間內(nèi)放電,則形成軸電流。軸電流會在轉(zhuǎn)軸、軸承內(nèi)圈、軸承外圈、軸承室構(gòu)成的回路中流過,最顯著的是在轉(zhuǎn)軸軸承的位置和軸承內(nèi)圈表面因電弧放電產(chǎn)生的小而深的圓形蝕點(diǎn)。軸電流不但破壞油膜的穩(wěn)定和油膜形成條件,而且由于放電在轉(zhuǎn)

7、軸和軸承內(nèi)圈的表面產(chǎn)生很多蝕點(diǎn),破壞了軸與軸承的良好配合,從而造成軸承無法正常工作。在特殊情況下,強(qiáng)大的軸電流會在軸頸和軸瓦的接觸面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧,導(dǎo)致軸頸和軸瓦損壞,造成電機(jī)振動和雜響聲,最后導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。軸電流可以分為低頻軸電流和高頻軸電流。由于交變磁通、靜電荷積累以及電動機(jī)制造中產(chǎn)生的不對稱等原因,產(chǎn)生的軸電流往往頻率不高,屬于低頻軸電流。一般來說,交流傳動系統(tǒng)都會產(chǎn)生軸電流,但大多數(shù)幅值低,達(dá)不到危害程度。滾動軸承的油膜比較薄,對軸電壓敏感,軸電流流過滾動體與內(nèi)外圈的細(xì)微接觸點(diǎn)時(shí),如果電壓比較高,那么內(nèi)外圈的接觸面就會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。近年來隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,交流傳動系統(tǒng)采用了

8、P WM 變頻控制方式,如圖2所示。使用I G BT 快速切換元件,在軸承上會產(chǎn)生高頻電流脈沖。這些脈沖電流的能量高到一定程度,就會造成軸承的損壞。典型的三相正弦電源是平衡的,而P WM 電源三相輸出電壓的矢量之和不為零,導(dǎo)致中性點(diǎn)的電壓不為零,這個(gè)電壓定義為共模電壓源。這些諧波在轉(zhuǎn)軸、定子繞組和接線部分等產(chǎn)生電磁感應(yīng),繞組中點(diǎn)電位可能遠(yuǎn)離接地點(diǎn),這種共模電壓以高頻振蕩并與轉(zhuǎn)子容性耦合,產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對地脈沖電壓,峰值可達(dá)1040V。圖2變頻電源控制示意圖任何時(shí)候,當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體通過絕緣體隔離后就產(chǎn)生電容。由于電纜的相線與PE 線之間有P VC 絕緣電容,所以電機(jī)繞組與外殼有鍍層和片層絕緣有電容。電纜間

9、電容尤其是電機(jī)內(nèi)部的電纜電容非常小,小電容意味著對低頻的高阻抗,阻止低頻雜散電流。對于高頻電流,即使電機(jī)內(nèi)部電容很小,也會產(chǎn)生一個(gè)低阻抗通道使電流通過。高頻軸電流加大了大中型交流電動機(jī)軸電流的幅值。容易造成軸承溫升過快、燒損和電機(jī)振動等情況。在形式上,高頻電流又分為高頻循環(huán)電流、軸對地電流和容性放電電流三種。(1高頻循環(huán)電流,定子對地電壓含有大量諧波。由于定子與機(jī)座之間存在寄生電容,所以存在容性電流,這些容性電流在定子上產(chǎn)生高頻磁通,并在電機(jī)軸的兩端感應(yīng)出高頻電壓,一旦擊穿軸承油膜,在軸承、軸、定子機(jī)座之間形成回路,即高頻循環(huán)電流。在這種情況下,點(diǎn)擊相當(dāng)于一個(gè)變壓器,流經(jīng)定子外殼的的共模電流(

10、一次側(cè),并在轉(zhuǎn)子回路(二次側(cè),感應(yīng)出高頻循環(huán)電流。該軸電流幅值取決于電機(jī)的額定功率和交流傳動功率元件的d u /d t 。軸電流的典型峰值值為320A;(2軸對地電流,泄漏到定子機(jī)座的電流形成軸對地電流。而任何流回去的回路都含有阻抗,因此電機(jī)機(jī)座的電壓高于電源的電壓。如果電壓足夠高,能夠擊穿電動機(jī)側(cè)軸承的油膜,軸電流就會通過傳動側(cè)軸承,產(chǎn)生高頻軸對地電流;(3容性放電電流,共模電壓的內(nèi)部電壓分量在電機(jī)內(nèi)部雜散電容上會產(chǎn)生高頻軸電壓,該電壓可能高到會產(chǎn)生高頻軸電流脈沖,容易形成容性放電電流。對于大型交流電機(jī),由于定子電流大,所以感應(yīng)的軸電流比較大,容易造成軸承損壞。3軸電流的預(yù)防措施3.1軸電流

11、燒損軸承的分析判斷(下轉(zhuǎn)42頁53 (g 51 號下層線圈勵端相連接線徑向傳遞函數(shù)圖(h 3號下層線圈勵端相連接線切向傳遞函數(shù)圖圖4對應(yīng)傳遞函數(shù)圖從表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在95Hz 110Hz 頻率范圍內(nèi),汽勵兩端鼻端和相連接線等部位最大響應(yīng)均小于表1中規(guī)定限值,各個(gè)部位固定滿足要求。另外,該型發(fā)電機(jī)在大修間歇期間檢查未發(fā)現(xiàn)線圈、勵端端部引線等部位松動磨損情況。進(jìn)一步證明該發(fā)電機(jī)繞組端部固定方式和判定標(biāo)準(zhǔn)是可靠有效的。5結(jié)語與國內(nèi)同等級容量機(jī)組壓板固定方式相比,390H 定子繞組端部固定結(jié)構(gòu)主要的特點(diǎn)可歸納為:(1用浸膠玻璃絲束代替壓板固定,固定方式簡單,操作容易;(2用浸膠玻璃絲綁扎繞組

12、端部,端部過風(fēng)面積大,冷卻效果好;(3設(shè)定了綁繩的具體長度,綁扎過程中使用的專用工具,避免人為原因?qū)е陆壴焕?(4繞組端部綁扎后采取淋特殊環(huán)氧樹脂膠將端部粘成一體,端部整體剛度好;(5繞組端部設(shè)置了永久環(huán),端部整體支撐剛度得到加強(qiáng);(6整個(gè)繞組端部采用剛性支架夾板,徑向剛度好,軸向滑移結(jié)構(gòu)合理;(7與國標(biāo)G B /T7064采取以端部固有頻率作為判定標(biāo)準(zhǔn)不同,國外公司采用繞組端部響應(yīng)(加速度/力大小來判定端部固定是否合格。作者簡介:汪偉男1976年生;畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)電一體化專業(yè),現(xiàn)從事汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作.收稿日期:2009212216(上接35頁對滑動軸承而言,軸電流小于10A

13、,基本無燒蝕;軸電流達(dá)到1040A,只能維持運(yùn)行300012000小時(shí)。對于滾動軸承,軸電流的損傷更加嚴(yán)重,只有軸電流低于1A 時(shí),一般滾動軸承才能穩(wěn)定運(yùn)行。電動機(jī)所允許的軸電壓軸電流的大小與軸承類型、運(yùn)行狀態(tài)、潤滑油脂、轉(zhuǎn)速、安裝質(zhì)量以及軸電流流經(jīng)路徑的阻抗有關(guān)系。3.2軸電流的預(yù)防措施(1均衡接地電壓:由于存在分布電容,在同一根電纜的屏蔽層(都已經(jīng)接地的兩端對地實(shí)際電壓并不完全相等,這樣在電纜上存在壓降,就會存在電流。通過均衡接地電壓,降低電纜屏蔽層的壓降,可以降低流經(jīng)軸承的電流。具體做法是在現(xiàn)場安裝一個(gè)公用接地母排,然后將各電機(jī)接地端子與之相連接,從而降低電壓降。另外,選用線徑為1.52.5倍電源線徑的地線,電纜的屏蔽層采用銅編制帶,屏蔽層的總截面積應(yīng)不小于相線的1/2。降低電機(jī)電纜屏蔽線的接地電阻,從而使電纜上部分電流在通過軸承之前接地,分流軸承電流;(2輔助措施:對逆變器供電的調(diào)速系統(tǒng)加裝高頻濾波器,或者給變頻調(diào)速裝置加設(shè)共模濾波電路,保證帶寬10kHz 以上。如果變頻電機(jī)軸頭安裝測速計(jì),編碼器等設(shè)備時(shí),不但電動機(jī)非傳動端軸承需采取絕緣措施,傳動端也需要進(jìn)行絕緣,以切斷軸電流通過傳動端軸承構(gòu)成回路。還可以在電動機(jī)兩端