煉化企業異步電動機軸電流的產生及其防范措施

摘 要：通過對兩起電動機軸承電腐蝕根源的分析，采取相對應的防范措施，從而減少軸電流對軸承的損傷，提升電動機維護質量，降低電動機故障率，延長電動機使用壽命。

關鍵詞：軸電壓;軸電流;軸承電腐蝕;逆變供電

0? ? 引言

某污水處理廠2009年新建兩套甲乙酮裝置，開工一個月后進料泵P2101A電動機運行聲音異常，檢修更換軸承。一個月后又出現異常聲音，檢修更換軸承。再經過一個月后，再次出現聲音異常，更換絕緣軸承。之后，截至2021年1月27日，共計檢修更換絕緣軸承4次，每三年計劃檢修一次（電機參數：YBP355L2-2WG，315 kW，380 V，2008年10月;運行方式：變頻運行）。

2019年12月26日，該污水處理廠生活污水5#泵電動機運行聲音異常，查看檢修記錄后得知已到檢修周期，檢修更換軸承。2020年1月7日，該電動機運行聲音異常，經狀態監測發現軸承故障;2020年1月8日進行解體檢修，分析原因，更換軸承，軸伸端加裝碳刷。2020年1月23日檢修完畢，投入運行。截至2021年2月23日，該電動機修后運行396天，運行狀態良好（電機參數：YB2-315L1-4，160 kW，380 V，2006年7月;運行方式：2006—2019年10月為工頻運行，2019年11月之后為變頻運行）。

1? ? 軸承電腐蝕故障類型的判定

故障軸承癥狀如圖1所示，與昂特（北京）科技有限公司軸承故障癥狀圖庫進行比較，發現該軸承故障癥狀與電腐蝕癥狀（圖2）相同，可以斷定軸承癥狀為電腐蝕[1]。

將圖1與《電機軸承產生電蝕損傷的機理》中振動和微剝落引起的內圈波紋槽圖（圖3）進行比較，可以進一步將癥狀細化為電腐蝕引起的振動和微剝落造成軸承內圈波紋槽[2]。

2? ? 故障根源分析

2.1? ? 理論依據

2.1.1? ? 軸電壓的產生

軸電壓是電動機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓，其產生原因一般有以下幾種：

（1）磁不平衡產生軸電壓。電動機由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風孔等的存在，因而在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉軸的周圍有交變磁通切割轉軸，會在軸的兩端感應出軸電壓。

（2）逆變供電產生軸電壓。電動機采用逆變供電運行時，電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間會產生電磁感應，使轉軸的電位發生變化，從而產生軸電壓。

（3）靜電感應產生軸電壓。在電動機運行的現場周圍有較多的高壓設備，在強電場的作用下，在轉軸的兩端會感應出軸電壓。

（4）外部電源的介入產生軸電壓。由于運行現場接線比較繁雜，尤其是大電機保護、測量元件接線較多，只要有一根帶電線頭搭接在轉軸上，便會產生軸電壓。

2.1.2? ? 軸電流的產生

隨著靜電荷的逐步積累，軸電壓建立起來后，一旦在轉軸及機座、殼體間形成通路，就會產生軸電流。

2.2? ? 故障根源分析

依據理論結合實際情況進行分析，兩案例共同點是發生軸承電腐蝕時均處于變頻運行模式，同時兩臺電機均為非變頻電機。變頻器逆變后供電電壓存在較高次諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產生了電磁感應，使轉軸的電位發生變化，從而產生高頻軸電流。同時，非變頻電機在制造時對于其定子、轉子沿鐵芯圓周方向的磁阻均度要求不高，會產生與轉軸交鏈的磁通，從而產生感應電動勢。由于交變磁通、靜電荷積累以及電機制造中產生的不對稱等因素，導致低頻軸電流出現。

這些軸電流經過軸承滾動體、滾道、殼體到接地網形成回路，進行釋放。軸承滾動體與滾道在運轉時，由于潤滑脂的存在而處于似接非接的狀態，這種狀態會導致漏電或電容放電。在漏電和電容放電過程中，對軸承滾動體造成了微剝落，對滾道造成了具有搓衣板外觀的內圈波紋槽。不論是滾動體的微剝落還是滾道內圈波紋槽，都直接影響電機的正常運行，進而影響裝置生產。

3? ? 軸電流的防范措施

針對軸電流形成的原因，一般來說會在現場采用如下防范措施：

3.1? ? 疏通電流回路

在軸伸端端蓋處安裝接地碳刷，碳刷面與轉軸圓周面接觸，碳刷引線與電機殼體連接，使軸電流通過轉軸、碳刷、殼體、接地網形成電流回路，釋放電流，降低軸電位。該回路對軸承形成旁路，基本避免了對軸承的電腐蝕。

3.2? ? 隔斷電流回路

為防止磁不平衡等原因產生軸電流，對軸承座與定子分離的電機可采取在軸承座和軸承支架處加裝絕緣隔板的方式，以切斷軸電流的回路;對軸承座與定子一體的電機可采取使用絕緣軸承的方式，以切斷軸電流的回路。

絕緣軸承就是在外圈外徑面或內圈內徑面增加陶瓷涂層，或使用陶瓷材料加工滾動體，如圖4所示，該涂層是具有50 MΩ或更大阻值的純絕緣體。絕緣軸承與無涂層的標準軸承具有相同尺寸和公差。依據軸承的尺寸，外圈外徑面或內圈內徑面增加陶瓷涂層的成本相比用陶瓷材料加工滾動體更經濟一些。陶瓷涂層一般為氧化鋁，厚度為100 μm左右。

在防爆環境中使用絕緣軸承來隔離軸電流存在一定的問題，在煉化企業大部分裝置均處于防爆區域。絕緣軸承僅僅是隔離了電流通過電機軸承的流經途徑，當軸電流達到一定數值后還是會通過與其連接的負載設備的軸承進行放電，造成負載設備的損害，也就是說，絕緣軸承在防止軸電流對電機軸承造成損傷的同時，將軸電流的損傷點轉移到了負載軸承。當軸電壓超過一定數值后，軸電流通過負載軸承進行釋放時，由于負載介質的易爆性，可能引發的故障就不僅僅是負載軸承的損傷，很有可能是介質爆炸。因此，使用導電環在電機軸承之前就將軸電壓進行釋放將是最好的選擇。

導電環是一種可以將產生于大型電機及變頻電機軸上的軸電壓安全引入大地或經旁路引出的安全連續泄放軸電流的新方案。導電環作為一種安全泄放裝置，它的作用是將軸電流引流及向大地泄放，從而避免軸電流從軸承處流經，以保證軸承安全，延長整個電機及其主機設備的壽命及安全工作周期[3]。導電環安裝時，為保證最佳的保護效果，機殼必須接地。若不能保證接地電阻≤4 Ω，則需要同時在軸伸端和非軸伸端各安裝一個導電環。

導電環采用的單根纖維直徑7 μm，用紫銅管束縛，形成集束導電刷，如圖5所示。

4? ? 結語

經實踐得知，對不同故障采取相應的處理措施，能極大地降低電機損耗，減少電機維護工作量，并且有效降低電機故障率，延長電機使用周期，節省設備資金支出，這一點對同行業其他故障維修也有重要的參考意義。

[參考文獻]

[1] 昂特（北京）科技有限公司.軸承失效分析[Z]，2018.

[2] 電機軸承產生電蝕損傷的機理[EB/OL].（2020-06-14）[2021-03-21].http：//www.zys.com.cn/news/20200616-

141827802.html.

[3] 吳江天龍電子機械設備有限公司.導電環產品說明書（第5.0.1.3版）[Z]，2020.

收稿日期：2021-03-29

作者簡介：馬建東（1973—），男，甘肅蘭州人，工程師，研究方向：煉化企業電動機維護與檢修。