論感應電機電氣故障機理分析

【摘 要】感應電機電氣類故障主要由電機結構以及工作環境決定。感應電機電氣故障發生的頻率表明，電氣故障主要來源于軸承和定子繞組，很多故障對電機運行狀況有著高度的敏感性，如：絕緣損壞，局部放電，火花；熱效應：銅損，缺乏整體或局部冷卻等，以下，對感應電機電氣故障機理進行具體分析。

【關鍵詞】感應電機 電氣故障 類型 分析

電氣故障，在定子或轉子上發生，可以有不同的故障類型和不同的故障原因。如電源電壓不平衡或者是頻繁起動都會導致定子線圈過熱，最后導致絕緣子的局部破壞。同樣的，施加在導體上的電動阻力會導致機械振動，也可能使絕緣惡化。

1 定子故障

定子故障是最常見故障之一。本文主要分析定子鐵芯、定子繞組匝間短路和繞組絕緣三類故障的形成原因。

1.1 鐵芯故障

感應電機定子鐵芯是用硅鋼片夾緊鐵芯固定在定子支架上，正因為這個結構，如果損傷了定子鐵芯，就會形成定子片間短路。定子出現高溫、大環路電流、絕緣材料高溫分解現象。流過鐵芯短路位置的電流不斷增大。大到一定程度，定子鐵芯硅鋼片就會被熔化，導致定子槽中絕緣繞組被燒化，此時必須更換線圈。此種故障產生原因多為制造缺陷，電機劇烈振動導致的電機定子鐵芯片間絕緣損壞也是故障誘因之一。

（1）鐵芯多點接地故障。當鐵芯多點接地發生故障后，會伴隨很多奇特的現象，如：繞組過熱、絕緣損耗和老化、接地線路被燒斷、鐵損增大、鐵芯過熱。（2）鐵芯過熱故障。鐵芯過熱故障的原因通常包括：不正常接地、絕緣損壞、定子繞組匝間短路、過載運行等。鐵芯過熱多發生在夾件與鐵芯上。

1.2 繞組絕緣故障

感應電機的故障往往是由于繞組絕緣空洞或混有雜質等缺陷造成的。絕緣缺陷主要是生產過程中造成的，因此電機的運行狀況與使用壽命與生產工藝息息相關。絕緣缺陷和絕緣老化導致的絕緣故障都表現為電機內活動性放電量增加，通過一些檢測實驗可以獲得絕緣老化的一些數據參數，通過分析能夠判斷絕緣老化的程度和原因。

1.3 定子繞組匝間短路故障

定子繞組匝間短路也是感應電機常見故障之一，故障原因主要有生產工藝不合格和不正常的運行兩個方面引起。

1.3.1 定子故障的發展過程

感應電機定子故障的最初階段，電機仍可正常運行，功率、電壓及震動也都在正常范圍之內，但此時電機定子磁場已發生改變，定子電流中可以檢測到故障特征。這里我們采用了定子電流法診斷感應電機定子故障，隨著故障的惡化，電機正常運行受到影響，震動加劇，輸出轉矩波動，電機工況異常，故障即將爆發。再進一步發展，更多的絕緣被損壞使得短路故障加劇，劇烈震動，定子溫升劇增使得電機無法正常運行。

1.3.2 定子故障后果

（1）定子匝間短路引起電機機身和機座振動。感應電機一旦發生故障，電機機身和各零部件都會出現振動，振幅超過臨界值會造成定轉子的摩擦，嚴重時會損毀電機，甚至危害人身安全。感應電機發生匝間短路故障時，電機機身發熱造成的不對稱以及點磁拉力不平衡都會引起電機振動。

（2）短路故障引起各電氣量變化。定子繞組匝間短路致使絕緣損壞，相當于定子繞組中有效匝數減少，電磁場發生變化進而導致電機運行電氣量（轉速、轉矩、電壓、電流，磁鏈等）的改變，定子電流中表現為偶次諧波分量的出現以及奇次諧波含量的變化，該變化會隨著故障程度的加深而不斷演化。感應電機的氣隙磁場受勵磁電壓的影響，與負載是否對稱無關。定子狀態健康的電機，當電源三相對稱時，氣隙磁場完全對稱，定子繞組不出現偶次諧波分量。匝間短路后，氣隙磁場不再對稱，會導致偶次諧波成分（如2次諧波）的出現。

定子繞組與電源接通，定子繞組中流過的對稱的三相電流，基波旋轉磁動勢也相應地會在氣隙中建立起來，其同步轉速由電網頻率和電機繞組極對數共同決定，即：

鼠籠式感應電機中，轉子導體切割定子旋轉磁場在轉子繞組中感應出電動勢再感生出相應的電流。轉子轉速 與定子同步轉速不等，轉差率s= -/，當感應電機負載發生變化時，電機的轉速和輸出轉矩隨負載變化而波動。感應電機匝間短路后定子繞組部分會出現局部過熱，電流不再三相對稱，轉矩變小，噪聲和振動加劇。

（3）定子繞組匝間短路故障的機理分析。感應電機定子繞組三相存在120°的相位差，并且在時間和空間上對稱分布，該結構的作用是既可以使由三相對稱電流產生的氣隙磁場達到基本正弦的要求，又可以使各個線圈磁勢中的低次諧波與間諧波（分數次）相互抵消。處于正常狀態的感應電機，定子電流中的主要頻率分量是基波分量。但是考慮到制造工藝不合格、材料不達標、安裝不正規等原因，實際的感應電機三相繞組不可能完全對稱，這會導致定子電流中2 次或3 次諧波成分的出現。電機定子繞組發生短路故障時，三相繞組不對稱性加劇，表現在氣隙磁場中為較強的空間諧波，在定子電流中則是較強的時間諧波成分，三相繞組不對稱性的加劇使得定子電流中奇次和偶次諧波增強。定子繞組匝間短路故障會改變原有諧波成分的能量，并且其它頻率的諧波成分也會增多。定子繞組發生匝間短路故障后在繞組電感中也表現出變化，根據磁鏈與電流的相互關系可以給出定、轉子中的感應電流的變化。定子電流諧波在定、轉子之間通過電磁感應不斷影響得到定子電流特征諧波的過程如下：

定子轉子定子轉子

上式中，并且是相對角速度，（和分別是轉差率和電源基波頻率）

定子電流的諧波成分如下式

由以上推導可知，正常狀態電機中，定子電流諧波成分如上式所示，此時繞組三相對稱，電流中只有單一的諧波成分。定子故障后，各次諧波幅值發生變化，繞組的不對稱性使高次諧波增加。對定子繞組匝間斷路故障的分析還可以從磁動勢的角度進行分析。基于磁動勢原理分析推導得到的定子繞組故障時定子電流中的特征諧波為：

為轉自槽數，是電機極對數，為電源基。

2 轉子故障

轉子溫度過高，離心負荷過大，及轉子制造過程中的缺陷（間隙和氣泡以及不合格的鑄件澆鑄和金屬焊接技術）都會導致轉子故障。離心負荷過大在電機啟動過程中最為常見，生產制造缺陷則會導致導體電阻過高，從而引起過熱。高溫使得鼠籠結構的強度降低，進而可能出現鼠籠條裂紋。籠條超出轉子槽范圍便失去轉子鐵芯的支撐，長時間的高溫運行也會引起端環和籠條變形，并最終導致端環與鼠籠條斷裂。電機轉速改變時，籠與端環間必然有力的作用；電機負荷無規律的變動導致的轉速波動以及電機頻繁的啟制動過程造成的磁場變化都會增加籠條和端環故障的發生幾率。轉子故障征兆一般表現為轉速變化，電機振動，定子電流三相不平衡，負序成分的產生及斷電殘壓。電機在高速運行過程中會導致轉子本體故障。轉子本體故障一般表現為：軸彎曲、不平衡、軸裂紋、不對中以及偏心等。轉子不平衡時，轉子質量偏心，會產生同轉頻的周期性激振力導致電機振動增大。電機轉子在加工過程中留下的傷痕在運行中，會出現裂紋，嚴重時會導致轉子斷裂的災難性故障。偏心分為靜態偏心和動態偏心以及混合性偏心，轉子發生偏心故障時會產生不平衡磁拉力，從而引起振動。轉子溫度分布不均使得轉子發生熱彎曲時，振動加劇，會導致定轉子之間發生碰摩，最終損壞電機。

2.1 轉子斷條故障分析

轉子斷條故障發生后，定、轉子三相電流都不對稱，電機轉矩失衡，其脈動成分也增加。斷裂的導條阻抗無窮大，導條的電流為零，電機轉矩總量會減小并且不對稱的轉子電流氣隙的磁場發生變化，形成反向旋轉的磁場，因而電磁轉矩也為反向，正負轉矩相互抵消，電機的有效轉矩就相應的減少。這種故障會引起電流和電磁轉矩的振蕩，在轉動慣量較大時（恒定速度），該故障現象更引人注目。當轉動慣性較小時，振蕩發生在機械轉速和定子電流幅值上。斷條發生后，通入三相電流以后，啟動時間明顯延長。隨著斷條根數的增加，轉矩也在變小，脈動成分增加，波動性變大。轉子故障后如果電機繼續運行，與斷條相鄰的籠條和與斷條空間位置對稱的導條電流會突增，導條溫度也會急劇升高，斷條相鄰和相對籠條受到更大的應力，更易斷裂。發生斷條后，很多電氣量都或多或少發生相應的變化。電機起動時間變長，有效力矩減小，轉差變大，電機振動和噪聲增強，定子電流波動，電機局部升溫。

2.2 端環斷裂故障分析

環形截面斷裂故障發生頻率可以與斷條故障相比較。這些斷裂是由于澆鑄時的氣泡或由于導條與環之間張力的不同造成，尤其是在短路環比轉子導條產生更大的電流。環的生產尺寸不合格，再加上惡劣的運行環境以及過負荷運行，都會造成斷裂。一般情況下，一根斷條故障不會造成機器關閉，因為穿過斷條的電流分布在相鄰的導條。然而斷裂的導條過載或者是斷條進一步增加就會導致停機。

3 結語

感應電機電氣故障有屬于機械結構導致的故障，有定、轉子等元器件故障，物理成因是感應電機故障主要表現形式。常規故障經過分析和檢測后，均可在使用中最大程度的避免故障發生。

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作者簡介：梁毅勇（1981—），男，山西陽泉人，碩士研究生，機電工程師，主要從事煤礦機電技術管理，研究方向：機電一體化。