6 kV鼠籠異步電機故障分析及改進措施

王敏剛

（神華黃驊港務公司 河北滄州）

一、故障現象

神華黃驊港務公司現場地面皮帶機系統由驅動電機（6 kV鼠籠異步電機）、液力耦合器、聯軸器、制動器、減速箱、驅動滾筒和若干改向滾筒組成。調度室人員通過按鈕先啟動6 kV鼠籠異步電機，隨后電機帶動液力耦合器轉動，1～2 s后耦合器轉動起來通過制動盤傳動減速箱轉動，減速箱輸出端通過聯軸器與驅動滾筒相連轉動。整個啟動過程約20 s，由于電機是直接啟動，雖然中間液力耦合器起到一定緩沖效果，但是啟動電流依然很大，尤其是皮帶上壓著煤時，啟動電流更大（一般為正常值的6～8倍）。

近年6 kV鼠籠異步電機相繼發生接地故障或在運轉過程中存在周期性異響現象，嚴重影響現場設備正常運行，公司維修人員先后更換幾臺異常高壓驅動電機。專業維修廠家拆除更換下的高壓電機，發現電機鼠籠均斷條，造成掃膛，定子繞組絕緣破壞嚴重，致使電機不能正常運轉。電機經廠家維修處理恢復正常投入生產，使用1年后電機啟動時存在高頻噪聲并伴隨電流不穩現象，不能正常運轉，隨后更換新備件。再次返廠拆除，發現還是電機鼠籠斷條引起掃膛，導致不能正常工作，嚴重影響公司安全生產和設備生產效率。

二、故障分析

一般電機掃膛常見原因有：①電機軸承損壞，晃量過大；②電機轉子軸變彎；③定、轉子鐵心偏心、橢圓或局部變形凸出；④電機與減速機連接不同軸；⑤電機有電磁振動、負載突變造成氣隙不均；⑥轉子剛度不夠，在磁拉力作用下造成氣隙不均；⑦鼠籠斷條。

公司技術人員到電機修理廠現場觀察發現，損壞電機故障現象分為：①鼠籠斷條或松動造成的掃膛，各電機斷條數量不一，最多達到4根，并都伴隨電灼損壞；②轉子籠條松動，形成高頻噪聲，同時轉子中間的填充銀釬焊料部分松動脫落形成輕微掃膛和電灼損壞。由此看出6 kV鼠籠異步電機故障主要為鼠籠斷條或松動，下面主要分析電機鼠籠斷條原因。

1.端環焊接處質量問題

鼠籠型異步電機包括端環、轉子鐵芯和多個籠條，籠條沿著端環周向均勻分布，籠條鑲嵌于轉子鐵芯之間，每根籠條的兩端焊接在端環上。直接啟動的交流電機因啟動電流大（通常為5～7倍額定電流），在很短啟動過程中，鼠籠籠條將承受很高熱應力，經過連續3次啟動（冷態下），籠條即發紅（溫度在700℃以上）。鼠籠銅條斷裂多發生在啟動后或堵轉時，斷點一般在槽口處和端環焊接處。這是因為電機在啟動過程中，特別是頻繁啟停和重載啟動時，啟動電流使轉子銅耗大大增加，鼠籠產生高溫，籠條與端環受熱不均勻，從而形成較大的熱應力。同時籠條受高溫變形變軟，機械強度下降，在熱應力、電磁力及離心力的反復作用下，首先使應力比較集中的槽口處和端環焊接處疲勞而斷裂，少數焊接薄弱處則因接觸電阻過大而呈現局部高溫拉弧將銅條燒斷和開焊。從損壞電機鼠籠情況看，籠條從端環處斷開的有4處，其中一處由于從端環處斷開造成中部斷裂，分析原因是：①端環處應力集中；②端環處焊接不牢固；③端環處電阻大，發熱大，有過熱痕跡，可能造成焊料軟化而開焊。

2.電機頻繁重載啟動

根據電機一般啟動要求，電機在冷態情況下，連續兩次啟動后如需再次啟動，則要間隔4 h；如果電機在運行中停機，只允許啟動一次，如需再次啟動，需間隔4 h。根據公司實際情況，皮帶機在運行中故障停機后，一般間隔5 min即再次重載啟動，由于是重載，啟動時間長、電流大，對電機損害非常大，再加上有時重載啟動失敗，甚至出現連續3次的重載啟動，這就給電機損壞造成了不可估量影響。

3.單驅電機負載過重

（1）損壞電機均為單電機驅動，相對于其他電機負載重（其他雙驅、3個電機驅動或4驅的驅動型式未發生此故障）。雖然在正常運行情況下，單驅動電機的額定功率滿足要求，但是重載停機后重啟動時，電機嚴重過載，因此該驅動型式電機最易損壞。

（2）其中1個損壞電機對應的皮帶機雖然較短，但運行最為頻繁，通過量最大，重載啟動的頻率也最高，后來也發生此故障。

（3）公司有1個皮帶機系統皮帶最短，負載較小，啟動電流也小，雖為單電機驅動，但至今未發現異常。

4.修復后的電機與原裝進口電機質量差異

修復后的電機再次出現籠條松動的原因可能是電機維修時，更換了定子繞組和轉子籠條（電機最關鍵部件是定子繞組、轉子籠條和鐵芯），由于使用的絕緣材料必須加厚（國內絕緣材料較差，采用增加厚度的辦法來保證絕緣），必須使用比原設計截面積略小的銅線，才能將繞組鑲嵌在鐵芯內。另一方面裝配工藝和所用銅線質量限制，犧牲了電機部分功率。由于電機修復后又裝回原來使用部位，因此，電機過載更加嚴重，1年半后又出現故障。

三、電機修理廠維修方案

（1）兩個電機定子清復保養。清洗、烘干，檢查繞組熱態絕緣電阻，做匝間試驗。定子繞組VPI真空壓力浸漆，烘焙固化。定子繞組表面噴8037#絕緣覆蓋漆。

（2）對于籠條斷裂故障的電機，轉子大修。更換全部籠條，兩端導電環（端環）更換，適當加大導電環截面，在導電環上開槽，將籠條插入導電環內焊接，可以加強機械強度，增加接觸面積，減少接觸電阻。施焊前要徹底清除焊接部位的氧化皮及油垢，不能只用汽油擦拭或焊炬烘烤，要用30%硫酸溶液清洗，再用10%燒堿溶液中和，最后用清水沖洗干凈。焊接時，轉子豎立放置，導電環面向上，在導電環與鐵心之間填塞石棉，防止鐵心過熱。首先用數把焊炬以中性火焰同時均勻加熱導電環，當溫度達到400℃左右時，改用1把焊炬集中加熱焊接部位，待溫度達到約800℃（呈紅色）時，將銀釬焊料觸及接頭處，釬料便熔化并逐漸填滿間隙。應采取分段交叉焊接法，以減小焊接后的殘余應力。焊完一面后，再焊另一面。最后清理焊點，檢查焊接質量。

（3）處理籠條松動的電機。將籠條墩沖漲緊，轉子鐵心局部修理。采用氬弧焊補焊后，修車鐵芯外圓。

（4）轉子動平衡試驗。

（5）更換轉子兩端進口軸承。

（6）全部零部件清洗檢查，內表面做防銹處理。

（7）電機總裝調試，并提供試驗報告。

（8）電機外表清理后，重新油漆。

四、改進措施

結合公司生產現場特殊情況、設備現狀以及舊的電機維修工藝，對上述維修方案進行改進，主要措施如下。

1.避免重載停機

①加強對設備各保護開關及保護裝置的檢查和維護，避免因保護開關損壞或保護裝置制作不合理，造成向控制系統傳導誤信號，導致設備重載停機；②加強現場操作和維修人員管理，防止誤碰拉伸開關等造成的重載停機；③嚴格按照生產作業要求，限制皮帶流量，嚴禁出現皮帶壓停等情況。

2.限制重載啟動次數和時間

①由于生產限制，發生重載停機后，不可能等待很長時間再啟動，為兼顧生產和設備，規定重載啟動的時間間隔＞15 min；②重載停機后，需判斷重載啟動是否能夠一次成功，否則需清理或放掉皮帶上的煤，然后啟動；③嚴禁連續多次重載啟動。

3.增加皮帶機驅動電機功率

增加1個驅動電機，將原單驅型式改為雙驅型式。改進后電機啟動功率明顯降低，未再發生過載現象，消除了故障隱患。

4.早期發現斷條故障

若能早期發現斷條故障，則維修費用將大大節省。如果掃膛嚴重造成定子損壞，則維修成本將是單獨維修轉子的3倍，并且由于維修工藝、使用材料等原因，將造成電機功率下降。對于正常運行電機，有以下兩種方案。

（1）定期維護保養。最好10年左右全部拆修電機，能夠發現早期故障，即使未出現故障，最好也對電機進行清洗、烘干，檢查繞組熱態絕緣電阻，做匝間試驗，定子繞組VPI真空壓力浸漆，烘焙固化等。每臺電機的費用大概2.5萬元，目前公司高壓電機共有21臺，大約需要52.5萬元。該方案花費較大。

（2）定期用電機故障測試儀檢測。定子電流頻譜分析是診斷和監測交流異步電機故障的有效方法，它可以診斷交流電機籠型繞組的斷條、靜態氣隙偏心、動態氣隙偏心和機械不平衡等故障。建議公司定期使用電機故障測試儀（根據工況決定周期）檢測全部電機，發現異常即拆修。該方案費用低，但有可能不能及時發現輕微斷條而造成故障擴大。

5.改進籠條結構

若籠條已經損壞需要更換，建議維修廠家改進籠條結構。原電機籠條與端環之間采用平接（圖1）。此結構端環與籠條之間接觸面積和強度小、電阻大，并且籠條的受力全部由焊料承擔，過熱時焊料強度降低從而開焊。為解決上述技術問題，提出以下改進維修工藝。

（1）首先在電機端環上均勻開槽，使得電機每個籠條兩側端部均能插入電機端環上的槽內，并且每個籠條與新開的槽通過焊接固定連接。這樣每個籠條焊接在端環新開的槽內后，使得籠條的受力由籠條與端環直接承擔而不是由脆弱的焊料承擔。因此，即使出現開焊，由于籠條鑲嵌在端環內，也不容易發生掃膛情況。

（2）籠條焊接在端環槽內，可增加籠條與端環的焊接面積，從而增加焊接強度。為此將籠條端面加工成鋸齒結構，進一步增加籠條與端環的焊接面積。由于籠條端面形成了鋸齒結構，增大了與端環相對的表面積，并允許更換的焊接材料焊接在籠條與端環之間，因而能進一步加大籠條與端環的連接強度。而且還能夠減少接觸電阻，減少了籠條與端環焊接處的發熱，避免了焊接處因過熱開焊和熱應力集中。

另外，實際操作時，可將籠條端部插入槽內后，在籠條端部與槽之間填充焊接材料，然后對焊接材料進行加熱，使其熔化并與籠條的端部和槽熱結合，以在凝固后牢固連接籠條和槽。

為彌補端環因開設槽而導致強度下降問題，可增大電機端環厚度，增大的厚度與槽的深度一致。槽的深度可以是端環厚度的5%～10%，從而在保證籠條和端環連接強度的同時避免使端環的厚度增大過多，成本增加。改進后籠條結構見圖2。

此次改進解決了設備重大安全隱患，這類電機故障未再發生，維修費用明顯降低，提高了設備生產效率。按照更換1個電機約8 h、需機修工和電工10人計算，產生效益約10萬元。改進后的設備運行穩定無任何故障，達到并超過了預期，在港口生產中起到了關鍵作用。

圖1 改進前籠條結構