適用于API 541標準的鼠籠式感應電動機的參數選擇

石曉薇

摘? 要? API 541為375kW（500HP）以上等級的電動機的通用規范。API 541內分別介紹了在IEC及NEC兩套規范體系內電動機的制造標準及參數選擇。本文針對在NEC標準下，簡述電動機各項參數及附件類別的選擇，常規測試的方法及相關要求。

關鍵詞? 鼠籠式感應電動機、繞組、軸承、絕緣系統、測溫元件

1、概述

在國民生產生活中，電動機是將電能轉化為各種機械能的主要設備，電動機廣泛的應用于工業，商業，民用等諸多領域。大到三峽大壩，小到風扇馬達，電動機作為各種設備的驅動動力，其穩定性，方便性，可靠性，牢固性就顯得尤為重要。尤其近年來隨著我國經濟的高速發展，大型電動機越來越多的被應用于石油化工，電力等行業。如何選擇電動機的各項參數，使其合理的應用于生產中，不僅關系到能源的經濟合理利用，更直接關乎到生產人員的人身安全。

本文針對應用在石油、化工及其他工業領域、適用于API 541標準的電動機從電氣參數的選擇，機械參數的選擇，各種附件的選擇及測試、試驗內容等方面進行簡要的介紹。

2、電動機的分類

電動機按照工作電源主要分為：交流電動機與直流電動機。直流電動機按結構及工作原理可分為：無刷直流電動機和有刷直流電動機。交流電動機可分為：交流三相電動機和交流單相電動機。

電動機按照結構和工作原理可劃分為：直流電動機、異步電動機、同步電動機。同步電動機可劃分為：永磁同步電動機，磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。異步電動機可劃分為：感應電動機和交流換向器電動機。其中感應電動機又可劃分為：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。

按照用途可劃分為：驅動用電動機和控制用電動機。驅動式電動機包括電動工具用電動機，家電用電動機，通用型機械設備用電動機等。控制用電動機可劃分為：步進電動機和伺服電動機等。

按照轉子的結構可劃分為：籠型感應電動機，繞線轉子感應電動機。

3、適用于API 541標準的電動機類型

API 541標準適用于：應用于石油，化工及其他工業領域，375kW（500HP）及以上具有特殊用途的鼠籠式感應電動機。同時也適用于感應式發電機。

具有特殊用途通常是指電動機（發電機）具有一條或多條以下特征：

（1）設備需要在嚴酷環境下不間斷，連續運行，且通常無備機。

（2）轉速在1800 rpm以下且功率在2250kW（3000hp）以上。

（3）功率在600kW（800hp）及以上的雙極設備，且具有全封閉式外殼結構;功率在930kW（1250hp）及以上或極數多余2，且具有敞開式或半封閉式外殼結構。

（4）驅動高慣性負載。

（5）電源側采用變頻調速裝置。

（6）是一個感應發電機。

（7）功率在375kW（500hp）及以上的垂直安裝設備。

（8）設備工作在異常惡劣的環境下。

4、API 541標準電動機各項電氣參數選擇

4.1 絕緣等級

絕緣系統是指：導體與支撐結構部件及與之相關的絕緣材料組成的一個整體。絕緣系統的等級根據系統溫度的熱穩定性而劃分為以下幾類：通常電動機和發電機使用四類絕緣系統，即A，B，F和H類。例如，F級絕緣系統：當設備在溫升標準中規定的F級溫度限制下運行時，具有足夠的熱穩定性。

API 541標準中規定，作為最低要求，絕緣系統應滿足NEMA MG1或IEC 60034-1中要求的F級絕緣。且對于繞組電壓在6000V及以上的設備，應使用帶有局部放電抑制劑的絕緣材料。

4.2 溫升等級

電動機的溫升是指在額定運行狀態下，電動機溫度高于環境溫度的數值。對于電動機允許的高于環境溫度（通常為40℃）的溫升，API 541標準中規定：除非另作說明，不應超過B級絕緣的溫升要求。當設計環境溫度高于40℃時，允許的溫升應相應降低，以避免超過B級絕緣的總溫度限制（環境溫度，上升溫度，最熱點）。當電動機在最高允許溫升下長期工作時，絕緣材料的物理、機械、化學和電氣性能不發生顯著的惡性變化，如果超過此溫度，電動機的絕緣材料將發生質變，加速老化，大大影響電動機的正常使用壽命。

4.3 服務系數

電動機服務系數是衡量電動機連續負載工作能力的一個系數。服務系數可與電動機的額定功率相乘，以表示可以驅動的最大負載。服務系數的取值通常為：1.0/1.15/1.25/1.35等。如一臺額定功率為100kW的電動機，服務系數為1.15，則表示電動機可在115kW下短時運行。值得注意的是，在NEMA MG1中，當電動機服務系數不同，對電動機溫升的限制數值也不相同。

在API 541標準中指出：當電動機運行在大于其額定功率的條件下（即服務系數高于1）時，會縮短設備的使用壽命。所有工作在B級溫升的電動機通過具有F級絕緣性能以獲得在高于其額定功率條件下穩定運行的能力（高于額定功率時電動機運行溫度更高）。這種較高的運行溫度，將會對設備的絕緣及其他部件的壽命產生不利的影響。因此，規范中規定，適用于API 541標準的電動機，只根據服務系數為1.0時選擇電動機的額定功率。

5、API 541標準電動機各項機械參數選擇

5.1 外殼形式

在API 541標準中，對電動機外殼的通用要求包括：

（1）外殼部件應由鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼或鋼板構成。如買方同意，纖維增強材料可用于電動機的零部件（蓋子或非支撐部分）。所有外殼部件的最小剛度與標稱厚度為3.0mm（1/8 in）的鋼板相同。

（2）導流板應由耐腐蝕材料制成，或應具有耐腐蝕電鍍處理。

（3）當電動機需要啟動前吹掃時，設備應具備可進行有效吹掃的條件。供貨商應在數據單中明確允許的最大吹掃壓力。

（4）除非另作說明，電壓等級為6kV級以上的設備應具有全封閉風扇冷卻（TEFC），空氣-空氣冷卻（TEAAC）或水-空氣冷卻（TEWAC）外殼。

適用于NEMA標準的電動機與適用于IEC標準的電動機，對于外殼形式的表述方法并不相同，但具有對應形式，具體參見圖1。

在圖1中可以看出，對于采用自然風冷型外殼的電動機，NEMA標準中表示為TEFC，IEC標準中表示為IC411;但電動機外殼的防護等級，NEMA標準與IEC標準均采用IP等級來表示。

5.2 軸承形式

電動機中常用的軸承形式為滾動軸承與滑動軸承。滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架組成。當內外圈之間相對旋轉時，滾動粒沿著滾道滾動。滑動軸承主要分為軸瓦和軸頸，利用潤滑膜將滑動表面分開而不發生直接接觸。圖二與圖三分別表示了滾動軸承與滑動軸承的結構。

滾動軸承的主要特點為摩擦阻力小，起動快，效率高，在中速下承載能力較高。但滾動軸承的徑向尺寸較大、減震能力較差、高速時壽命低、噪聲較大且結構復雜，在保養和維修時較困難。滑動軸承則具有工作平穩、壽命長、噪聲低、結構簡單、承載能力大，適用于重載場合等優點，且油膜具有一定的吸震能力。但滑動軸承起動摩擦阻力較大，潤滑劑的維護要求較高。

在API 541標準中規定，如無特殊說明，水平安裝的電動機應采用液體動壓徑向軸承（如滑動軸承或傾斜軸瓦軸承），且軸承座應配有迷宮式軸承密封。當滿足特定條件時，也可使用滾動軸承。當滿足特定條件時，垂直安裝的電動機應使用滾動軸承。

5.3 潤滑形式

電動機根據結構的不同，通常采用潤滑油或潤滑脂進行潤滑。良好的電動機軸承潤滑是減小軸承磨損和摩擦，延長軸承的疲勞壽命的有效措施。采用潤滑脂時，可以防止外部的灰塵等異物進入軸承，起到封閉的作用，同時還有防止金屬腐蝕的作用。選用潤滑脂時要注意每種潤滑脂的特性，滴點，錐入度，氧化安定性和低溫性能，根據應用環境合理選擇。采用潤滑油時，特別是采用油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承內部的大部分摩擦產生的熱量，起到有效的散熱作用。

在API 541標準中規定：液體動壓軸承應采用碳氫化合物油，并根據供貨商的建議采用油環潤滑。油環下部需浸沒在潤滑油中，從油環的下緣上方起，最小的浸沒深度為6mm（0.25 in）。如果軸承的圓周速度超過了使用油環潤滑的極限，則應使用壓力（強制）潤滑。當被驅動設備（如泵）需要強制潤滑系統時，電動機的軸承潤滑油可從同一潤滑系統中取得。

6、API 541標準電動機各項附件選擇

6.1 接線盒

根據電動機的配置及設計的不同，可能會有多個接線盒在電動機本體上引出。包括主接線盒，加熱器接線盒，測溫RTD接線盒，震動檢測接線盒，CT接線盒等等。在API 541標準中規定：主接線盒應由最小厚度為3mm（0.125 in）的鋼板制成，且最小尺寸和可利用的體積不得小于 NEMA MG1中第20部分規定的II型端子外殼規定的數值。銅母線和隔離絕緣子的尺寸應能保證當電動機電流為額定值125%時的溫升不超過90℃（194 ℉）。主接線端子引出的接線盒應能承受指定MVA（故障開始后半個周期內），持續時間為0.1s內三相故障所產生的壓力。對于額定電壓在601V以上的電動機，其他附件的引出端子接線盒應與主接線盒分開設置。對于電流互感器和電壓互感器的二次引線，如果與主電源線采取了適當的物理分割措施，允許與主電源端子由同一接線盒引出。

當主接線盒中配置避雷器時，在避雷器與定子鐵心之間應設置低阻抗接地路徑。當主接線盒中配置差動電流互感器時，互感器二次側引線應遠離高壓電動機主引線，采取物理隔離，以防止意外接觸。若電動機配置了軸承溫度檢測及軸承振動檢測元件時，應提供單獨的接線盒。

6.2 溫度檢測元件

電動機內的測溫元件主要是安裝在定子繞組上的測溫元件、安裝在軸承上的測溫元件。

API 541標準中要求，定子繞組需配置電阻溫度檢測元件（RTD）。RTD應為鉑材質，三線制，在0℃時電阻為100Ω，符合EN 60751，B類。這些元件應具有聚四氟乙烯絕緣，絞合，銅鍍錫，且橫截面不小于0.4mm2（22AWG）的引線。引線應滿足NFPA 70或IEC 60079中的要求。定子繞組每項應至少裝設三只測溫元件，適當的分布在定子繞組槽周圍。為防止被損壞，所有測溫元件的引線在制造和運輸過程中應加以保護。供貨商的圖紙上要顯示定子繞組上測溫元件的數量、位置及端子排連接等信息。

對于具有液體動壓徑向軸承和推力軸承的電動機，應配置軸承測溫元件，每軸至少一只。測溫元件應能測量軸承金屬的溫度，軸承測溫元件的安裝應保證不影響軸承絕緣的完整性。除另作說明外，軸承上安裝的RTD與定子繞組上安裝的RTD規格要求相同。需要注意的是，在API 670（震動、軸向位置和軸承溫度檢測系統）中，對于大部分電動機軸承，每軸需要配置兩只測溫元件。當每軸需要配置兩只測溫元件時，優先考慮配置兩只單獨的檢測元件傳感器，如果軸承上空間受到限制，也可考慮使用一只雙元件傳感器來代替兩只單元件傳感器。

6.3 加熱器

電動機加熱有防止電動機受潮的作用，如果電動機長時間放置不用，在使用前要先通電加熱去除潮氣，以免在通電時損壞電動機。API 541標準中規定：當用戶有要求時，電動機應配備具有完整接線的加熱器，并引出至單獨的接線盒。加熱器嚴禁有外露的元件。加熱器應安裝在外殼內易拆卸和更換的位置，且應保證所有帶電部分不易觸碰。除非另有規定，加熱器元件的表面溫度不得超過160℃（320℉），加熱器元件溫度標識應為T3或者更低。不可采用任何與定子繞組表面有接觸的類型的加熱器。加熱器應保持電動機繞組的溫度高于環境溫度5℃（9℉）。