大型異步電機繞線轉子燒毀原因分析及保護程序設計

沙 云，李庚偉（蘇州中材建設有限公司，江蘇 蘇州 ）

0 前言

當前，水泥磨高臺時產量要求水泥磨主電機設計時必須配置大功率的高壓繞線電機。大型高壓繞線轉子的結構不同于籠型轉子，具有較強的復雜性。由于轉子外徑大，在轉子高速旋轉下，轉子線圈、導電排、引線電纜等受到很大的離心力作用，其經常出現的質量問題主要集中在繞組端部綁扎、引接線固定及并頭套焊接等薄弱環節上。

海外某項目水泥磨主電機為國產封閉式IC86W大型高壓異步繞線式電機，電機功率：600000kW，定子：6 600 V，625 A,Y聯結，轉子：2144 V，106990 A，三角形聯結，轉速：9950r/min，絕緣等級F級。該水泥磨投產三年后某日發生磨主電機繞線轉子燒毀事件。

1 事故經過及轉子損壞情況

1.1 事故經過

當日水泥磨入磨回轉下料器故障，導致水泥磨主電機聯鎖跳停，值班人員處理完回轉下料器故障后中控起動磨主電機，主電機起動完畢后，開始投料并落輥，約數秒鐘后，磨機跳停。當班附近巡檢人員聽到電機內發出數聲悶爆聲音，并看見有煙從電機冒出。從操作員站調出磨機的歷史趨勢可以看出，該電機從上一次跳停到再次起動主電機約120min，從電機起動后到跳停時間約300s。

1.2 損壞情況

檢修人員打開電機主接線盒，斷開電纜連接，測量定子繞組絕緣阻值，絕緣良好。打開轉子進線盒和集電環護罩，斷開連接液體變阻器柜電纜，斷開集電環導電桿上轉子引出線連接，測量轉子繞組引出線絕緣，電阻值為0，判定轉子燒損。電機被拆運至機修車間打開電機端蓋后發現，該電機尾端已經變黑，轉子非軸伸端并頭套多處融化，絕緣燒焦、破損、露銅。

轉子導電排固定線夾斷裂，絕緣紙松開，引接線上無緯帶松脫。轉子鐵芯固定支架螺栓處有短路放電痕跡，螺栓被局部燒融。其中有并頭套中焊錫融化引起熔融金屬液滴飛濺并引發對支架固定螺栓放電痕跡，熔融的金屬滴液被高速甩出，濺射到定子繞組端部。部分破碎的金屬碎片擊中定子繞組端部，造成繞組端部部分無緯帶破損。

2 原因分析

2.1 過程分析

（1）電機在熱態狀態下啟動時，轉子繞組中轉子電流最大，所受電磁力也達到峰值，轉子繞組端部內外疊層端部小頭受力不均，發生微小位移變形。在大起動感應電流和強磁場力的共同作用下，轉子繞組并頭套虛焊的部位接觸電阻增大，局部過熱，并頭套內搪錫融化，導致并頭套開焊，并頭套約束力下降，外層絕緣燒毀，發生附近多個并頭套間短路，轉子線圈匝間和繞組間短路，進一步加速并頭套外層銅皮融化和絕緣的損壞。

（2）隨著轉子加速至額定轉速，轉子繞組端部變形加劇，轉子回路出現部分開路，三相轉子繞組電流出現較大差異，在其中一相轉子導電排上出現最大電流，這種高壓電流產生的電動力和高速旋轉產生的離心力作用下，導電排和引出電纜連接處擠壓固定線夾，造成線夾崩斷，導電排下面的墊片甩開翹起。

（3）并頭套上融化的金屬液滴在電機剛啟動低速時，在速度的作用下滴落在轉子鐵芯上呈放射狀，并引發轉子繞組多處不穩定接地故障，其中一處接地故障對突出的固定支架螺栓帽進行放電，造成螺栓被局部燒融。而多處兩點間的接地故障，電流在線圈內循環，并在很短時間內造成線圈內并頭套進一步融化和損壞。在電機啟動完畢后，金屬液滴被高速甩出遠離軸中心，擊中定子線圈端部。并頭套外絕緣和線夾斷裂產生的碎片也被高速甩出，劃傷定子繞組端部無緯帶。

2.2 原因分析

（1）該電機轉子并頭套采用1.5 mm紫銅皮包裹，內部錫釬焊工藝，為了使其接觸良好，在銅套之間敲入掛錫銅楔，以填滿上下層導體間的空隙。該工藝處理的焊口耐高溫能力較差，焊錫無法充滿整個并頭套內部空間，容易造成電機連接不良，出現焊接質量不好、焊接不牢不滿、套內有空隙、開焊等問題。由于虛焊部位電阻較大，當電流較大時會產生較高溫升，使搪錫融化流出，造成轉子回路部分開路，破壞并頭套外層絕緣。

（2）并頭套外層絕緣采用環氧粉云母（即B級膠帶）半疊包繞再經加熱固化。絕緣轉子雖然采用真空VPI浸漆，但不能滲透并頭套絕緣層，填滿并頭套絕緣層內部及并頭套內的間隙，容易造成絕緣層強度下降，影響并頭套的電氣性能和機械性能，這種方式的絕緣容易磨損。

（3）隨著電機轉子的老化，其絕緣會受到溫度、機械磨損和操作事故的影響。凡是引起發熱、燒毀、高應力等操作事故，都會對絕緣產生不利影響。電機使用的時間越長，轉子絕緣層因機械應力或熱相關的損壞而損壞的可能性就越大。起動次數太多會導致電機轉子出現異常高溫，從而加速轉子絕緣的系統性退化，并導致使用壽命異常縮短，甚至引發電機故障。更頻繁的起停往往會在絕緣上引起更多機械磨損，并會導致電氣連接薄弱處累積變形和磨損，這是因為每次轉子加速時，絕緣層和銅都會承受極高的重力。盡管沒有確切的公式，但頻繁起停運行的設備絕緣壽命約為基本負載設備的絕緣壽命的30%至50%。

3 采取的維護措施

由于處理并頭套開焊、轉子繞組燒毀、定子繞組端部掃膛等問題的方法和文獻不少，本文就僅從現場運行維護角度來提出幾點措施。

（1）合理利用電機空間加熱器。設備周圍環境濕度大，環境溫度變化大，絕緣層表面會凝露，繞組線圈受潮，影響電機絕緣。可以根據季節、濕度、氣溫變化、停機時間長短等因素起停空間加熱器。例如此項目所在地區雨季陰冷潮濕，空氣濕度大，停機時間相對較短時，電機停止運行后可開啟空間加熱器，使其內部保持相對較高的溫度，避免凝露和濕氣侵入。

（2）測量轉子開路電壓試驗。可以制訂定期試驗計劃，比如季度試驗或者半年試驗計劃。在確認定子繞組完好的情況下，通過試驗計算出轉子開路電壓平衡度和定子電壓與轉子開路電壓的算術平均值之比，進一步確定轉子繞組有無短路，并聯支路匝數是否相等、三相繞組是否對稱等。試驗取得轉子的三個線電壓，首先計算所測轉子的三個線電壓的不平衡度。當定子三相電壓平衡時，該值應不超過±3%（非國家或行業標準，參考使用）。當所測轉子三個線電壓不平衡度符合要求時，用轉子三個線電壓的平均值計算電壓比。電壓比的參考標準無法取得生產單位內部標準時，一般是直接實測的轉子電壓與其額定值相差的百分數來表示，百分數應在±5%以內（非國家或行業標準，參考使用）。以本案為例：定子：6 600V，轉子：2 144V，計算銘牌上的電壓比：

試驗時，從定子加380V，測出轉子開路電壓為115.2V，電壓比：

電壓比考核標準計算值為：

說明轉子繞組存在問題。試驗時定子三相電壓和三相空載電流都平衡，而測出的轉子電壓不平衡，且超過±3%，說明轉子三相繞組不對稱。

（3）定期檢查定轉子端部。結合季節、天氣、濕度等因素制訂檢查計劃，打開電機非軸伸端軸承端蓋，目視仔細檢查定轉子端部、并頭套、導電排、引出線電纜等部位的絕緣漆有無變色，無緯帶有無松動、鐵質固定夾具有無銹蝕斷裂等。密封結構的大型電機不建議頻繁打開檢查，容易造成端蓋密封損壞、異物進入電機箱體內部等問題。

4 電機DCS程序保護設計

4.1 大型電機起停一般要求

大型電機起動次數一般要求是當電機為冷態時，可以連續起動兩次，相隔4h后才能再連續起動兩次。當電機為熱態時，連續起動一次，相隔4h以后，才能再連續起動一次。在實際生產過程中，特別是水泥銷售的旺季，這樣的要求有點不太現實。如果其他設備或者磨機本身的一些因素造成磨主電機頻繁的跳停，而又沒有考慮到電機啟停次數和時間間隔的話，那么勢必會影響電機的絕緣和使用壽命，特別是像轉子并頭套、繞組端部等機械電氣性能相對薄弱部位，因此有必要在控制系統中的電機模塊上設計出一套結合實際生產和起停次數精細化管理的程序模塊。用這樣的一種電機控制模塊，來精確管理電機啟停各次的時間間隔和次數。

4.2 設計原理

中壓繞線式電機的起停、聯鎖、報警等控制采用的是中材國際（南京）自主開發的中壓繞線式電機FC201模塊，其中帶有液體變阻器起動短接聯鎖功能。在此功能模塊基礎上進行再次開發，將起動次數、起停間隔、循環周期等時序邏輯加入其中，形成電機的起停聯鎖控制、起停次數和周期間隔管理為一體的功能塊。

典型的時序邏輯是在任何一個時刻的輸出狀態由當時的輸入信號和原來的邏輯狀態共同決定,而它的狀態主要是由存儲的邏輯來記憶和表示的。整個時間管理分三個時間段：第一次跳停間隔時間T1，第二次跳停間隔時間T2，第三次跳停間隔時間T3，以及電機持續運行周期時間T0和正常停機計時時間T4。主要的邏輯關系是：電機在冷態時，可以允許起動，中控操作員從面板發出（帶確認功能，防止誤操作）驅動命令，中壓開關柜收到合閘脈沖后有兩種情況，一是合閘并返回運行信號（定義為True），另一種情況是合閘但沒有返回運行信號，此時，FC201電機模塊會在規定時間內邏輯聯鎖發出分閘命令，但是電機實際上已經上電和失電，這個過程電機承受了合/分閘操作過電壓、啟動尖峰電流等高幅值、高陡度電壓和大電流的沖擊（定義為*False），對電機的危害性極大，所以也應計入起動次數（這種情況在電機冷/熱態時均可能發生）。電機起動后液體變阻器短接運行，運行周期計時器開始計時（該計時器是自復位循環計數器，只要電機持續運行，計數器按設定時間T0自復位循環計時），同時檢測電機運行信號狀態，電機正常停機和非正常停機（聯鎖跳停）都復位運行周期計時器。操作員從面板上發出正常停機命令，停機計時器開始計時。電機連續運行時間達到T0和停機持續時間達到T4都復位計數器，使其從頭開始計數。電機停機檢測分為：正常停機（操作員發出停機命令）和聯鎖跳停，這兩種停止和驅動后無反饋都計入計數器。計數器根據檢測到的次數，進入起動次數子流程。進入次數子流程完成時間等待后，發出允許信號，可進行下一次起動，并判斷是否進行計數器復位，整個主流程見圖5。

圖5 主流程

次數子流程相對比較簡單，根據計數器中的次數分別進入下一級次數子流程進行流轉。根據次數和下一級子流程中的時間設定完成相應等待后，發出允許起動信號及是否要復位計數器，見圖6。

下一級次數子流程中，要根據停機檢測的兩種情況和驅動后無反饋進行區分和顯示，并保存狀態。值得一提就是中壓開關柜有時候驅動后無反饋，進而轉入試驗位置進行測試排查故障原因，此時就顯出區分的優勢來，可以明確表示出驅動后是否有反饋還是運行信號的丟失原因。這些狀態和對應的次數放在一起進行顯示，方便排查哪次是由無反饋引起的，哪次是由正常停機或聯鎖跳停引起的，見圖7。

圖6 次數子流程

圖7 下一級次數子流程

下一級次數子流程中時間計時器的設定值可以由生產部門和維修部門根據電機的散熱結構、形式以及廠家提供的使用說明書，綜合實際生產和維護的需要進行決定，本例中的大型電機是帶空—水冷卻器封閉式電機，當電機停止時，同軸上的散熱風扇也是停止的，不能把轉子中的熱量帶入冷卻器中，因此T0和T4的時間要適當的長。當外部故障且中壓開關柜在試驗位置時可以臨時把間隔時間T1、T2、T3設置為0，等故障排除了，再恢復設定，以利于現場發現原因，快速解決問題，恢復生產。表1給出此現場的典型值。

表1 計時器的設定值

5 結論

在實際生產運行維護中定期對大型高壓繞線式異步電機現場進行有效的檢查和測試，是確保電機絕緣系統完整性的最佳方法，也才能掌握大型電機的狀態，及時發現和排除隱患。在DCS系統中設計一套大型電機時間保護程序，從而解決了跳停后再次起動電機時間的隨意性又兼顧大型電機熱/冷態時的起停間隔和次數要求，達到結合實際生產需要合理優化電機起停時間和次數的效果，從而保證此類電機的操作可靠性和正常的使用壽命。