多起大型異步電動機繞組擊穿事故的分析與總結

林聞捷，濮力希

(新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 338001)

引言

新余新鋼氣體有限責任公司（以下簡稱氣體公司）管轄著6 套空分。分別為1 套18 000 m3/h 空分，1 套24 000 m3/h 空分，3 套25 000 m3/h 空分，1 套3 600 m3/h 空分。近十年來，氣體公司發生了多起電機繞組擊穿事故。其中18 000 m3/h空分空壓機電機分別在2013和2017年2次繞組擊穿。24 000 m3/h 空分空壓機電機于2013 年繞組擊穿。1#25 000 m3/h 空分空壓機電機于2021 年繞組擊穿。多次發生繞組擊穿事故，造成了高額的直接經驗損失，同時影響了公司的保供，造成了不小的間接損失。

1 事故回顧

1.1 12 000 kW電機繞組擊穿事故

24 000 m3/h 空分于2005 年投產，空壓機配套1臺12 000 kW的蘭州電機。2013年3月18日2:14:36 24 000m3/h空分空壓機電機運行電流突然由1 240 A上升到1 334 A，2:16:25進線柜和空壓機電機運行柜同時速斷跳閘。經檢測，電機B相絕緣電阻為零，將電機定子后端蓋拆開，發現電機定子繞組被擊穿燒斷。

1.2 8 000 kW電機繞組擊穿事故

18 000 m3/h 空分于2003 年投產，空壓機配套一臺8 000 kW的上海電機。2013 年5 月15 日2:10 珠珊變電站110 kV 母線B 相接地，總降6 kV 的113 線路跳閘，18 000 m3/h空分空壓機電機失電停機，用兆歐表對電機進行絕緣檢測，對地絕緣電阻為50 MΩ，檢查結果合格。4:10 時113 線路恢復供電，重新起動18 000 m3/h 空分空壓機，在起動的52 s 過程中空壓機的二級轉子X 軸、Y 軸方向的振動較大，起動結束后機組的振動仍大于90 μm/s，1 min 后空壓機因振動過高聯鎖停機。對空壓機機械部分進行檢查，未發現問題，對空壓機電機、斷路器、電壓保護器做檢查試驗，電機對地絕緣電阻為1 000 MΩ，試驗結果合格。確認電氣和機械檢查沒有問題后，17：28時再次起動電機，電機速斷動作，再對電機檢測，發現電機C相繞組對地絕緣電阻為0 Ω，電機C相繞組接地。

1.3 8 000 kW電機定子繞組匝間短路事故

18 000 m3/h 空分空壓機起動過程中三級轉子X軸、Y 軸方向振動較大，于2017 年8 月15 日停機。為查找振動原因，氣體公司分別于2017年8月15日和8 月16 日對空壓機本體進行了三級葉輪清洗及機械部分檢查，檢查完畢多次試車空壓機仍然起動過程中三級振動較大，并因振動值過高而聯鎖停機。

2017年8月19日10：10再次起動18 000 m3/h空分空壓機，在起動到40 s時空壓機起動柜差動、速斷保護動作，高配室進線柜速斷跳閘。同時，現場電機內部有放炮聲并有冒煙現象。電機經檢測直流電阻AB 相0.06 Ω、AC 相0.058 Ω、BC 相0.048 Ω，對地絕緣電阻為5 MΩ，電纜對地、相間絕緣電阻1 000 MΩ，經計算三相直流電阻不平衡，其余數據合格，根據檢測數據及現場設備情況初步判斷電機匝間短路。

1.4 12 500 kW電機相間短路接地事故

1#25 000 m3/h 空分于2008 年投產，空壓機配套一臺12 500 kW 的ABB 電機。2021年4月4日14：03，1#25 000 m3/h 空分空壓機跳停。空壓機運行柜、3117進線柜速斷動作，總降3117出線柜速斷并導致主變失電。事故發生后調取DCS 數據發現發現在14:03:34，空壓機電流由774 A突然上升至1 095 A。

總降檢查電纜及出線柜各項數據正常，搖測空壓機運行柜下端頭電纜對地絕緣電阻為0 Ω，說明有接地現象。解除電機頭尾端電纜單獨對電機進行檢測，測出AB 相對地絕緣電阻為0 Ω，相間直流電阻存在差異，AB 相為6.3×10-2Ω，AC 相為5.8×10-2Ω,BC相為6.1×10-2Ω。空壓機電機相間短路接地。

2 事故分析

2.1 12 000 kW電機繞組擊穿事故

拆檢發現，定子鐵芯燒熔損壞，如圖1所示。從定子線圈接線端看，在9 點鐘位置有一槽鐵芯被燒損。轉子表面及鐵芯通風槽口處有大量的銅屑，說明定子線圈擊穿時，有大量熔化的銅屑末甩上去。

圖1 損壞的電機定子鐵芯

24 000 m3/h空分空壓機電機于2005年5月投入運行，電機運行定子溫度在133.5～134.6 ℃間，溫度偏高，為此更換了電機冷卻器，以后定子溫度長期處在112～126 ℃區間（其它同類型的電機定子溫度一般在都處在80～100 ℃區間）。該電機自2005 年投入已運行8 年，由于電機長期處在高溫運行使得電機定子的絕緣老化加速，絕緣下降后造成線圈局部放電，發生電機匝間短路定子繞組擊穿燒斷事故。[1]

事故發生后檢查真空斷路器，發現B 相動觸頭散落，如圖2 所示。判斷可能是動觸頭的彈簧因過熱失去彈力，導致觸頭接觸不良，引起缺相，從而導致電機定子繞組B相絕緣薄弱處擊穿。[2]

圖2 真空斷路器B相觸頭

經拆線檢查發現線圈槽楔過大，填充絕緣材料過多，長期運行產生振動，造成絕緣損壞，引起匝間短路。故判斷電機生產工藝有明顯缺陷也是事故原因之一。

2.2 8 000 kW電機繞組擊穿事故

電機經拆機檢查發現定子引出線端在3點鐘過一點的位置上有一只線圈下層直線部分由于匝間短路燒壞造成線圈對地絕緣為零。繞組擊穿有銅屑炸出，如圖3所示。

圖3 繞組中炸出的銅屑

拆除線圈后檢查在這個位置上軸向進去大約1/4 處有一個鐵心齒壓板燒了2 mm 左右的缺口，定子鐵心基本完好沒有發現有燒壞現象。另外，在非引出線段的端面5 點鐘的位置上少了一塊齒壓板。轉子檢查發現軸伸端銅排與銅環之間有幾處開裂。

根據拆機檢查現場，判斷事故原因為電機在滿負荷運行中突然失電，造成電機三相磁電勢瞬間不平衡，產生過電壓，使電機繞組局部絕緣擊穿，造成繞組局部匝間損傷；4:10重新起動電機，空壓機機組因振動過大聯鎖停機，空壓機再次起動沖擊了繞組匝間損傷部位，17：28 又一次起動后徹底使電機繞組受損部位絕緣擊穿，繞組匝間短路，電機C相繞組對地。繞組匝間損傷很難檢測出來，頻繁起動不斷加重了繞組的損傷。

2.3 8 000 kW電機定子繞組匝間短路事故

電機經抽芯檢查發現，電機轉子鼠籠條與端環焊接處部分斷裂，如圖4 所示。其中負載端有一根與端環焊接的鼠籠條斷裂凸起，籠條表面并伴有摩擦和銀焊甩錫現象，轉子矽鋼片表面多處部位有高溫過熱發黑現象，轉子轉軸和軸瓦未見磨損；電機定子靠負載端端部線圈絕緣層嚴重磨損并銅線裸露，定子線圈斷定匝間短路。

圖4 電機鼠籠條斷裂

18 000 m3/h 空分空壓機電機從2003 年投運至2017年發生事故，已使用14年，長期運行過程中，轉子鼠籠條與端環焊接處存在缺陷，8 000 kW 大型異步電機起動過程時間長、電流大，轉子承受溫度高，鼠籠條與端環焊接處的存在缺陷在每一次起動過程中缺陷逐步擴大，導致8 月19 日10：10 啟動時出現轉子鼠籠條機械斷裂，斷裂籠條在轉子旋轉產生的離心力作用下甩出凸起與定子繞組摩擦，引起定子繞組匝間短路，造成電機繞組擊穿，同時，短路引起保護動作速斷跳閘。[3]

另外18 000 m3/h 空分空壓機配合生產、檢修任務安排停、開機次數多，有時在未成功起動再次起動時，作業人員未嚴格按電氣設備作業指導書規定——大型電機再次起動時間（冷態2 次、熱態間隔2 h）進行操作，導致轉子缺陷逐步擴大，出現鼠籠條斷裂，引起電機繞組擊穿。

2.4 12 500 kW電機相間短路接地事故

拆檢發現，轉子鐵芯43 處通風槽板斷裂脫落，如圖5所示，還有約20余處通風槽板變形，如圖6所示。可以判斷由于通風槽板斷裂飛出，把定子徑向通風槽口處的線圈絕緣擊壞，造成線圈對地和匝間的短路。

圖5 轉子鐵芯中間部位通風槽板斷裂情況

圖6 轉子鐵芯通風槽板變形情況

電機定子槽楔脫落情況比較嚴重，共有21 槽，如圖7所示。可以推斷槽楔的脫落造成線棒在鐵芯槽內的固定失效，當電機運行時線棒受到交變電磁激振力的作用而產生振動，在這種電磁振動長期作用下，線棒絕緣磨損而使絕緣性能下降，是造成線圈對地和匝間短路另一因素，如圖8所示。

圖7 定子槽楔脫落缺損情況

圖8 鐵心的中部位置的側面可見線圈燒毀的洞

綜合上述原因該電機事故主要系轉子的通風槽板設計結構缺陷和材質質量問題以及定子槽楔安裝質量不合格所致。

3 事故教訓

多次的電機繞組擊穿事故，給公司的保供工作帶來了巨大的影響，一方面反映出電機制造工藝存在一定缺陷，另一方面體現在運行維護方面做得不足，對頻繁起動造成轉子的損傷認識不足。主要體現有以下幾點。

3.1 維護保養不力

對電機預防性維護保養工作做得不夠。在1#25 000 m3/h 空壓機電機繞組擊穿后，2#25 000 m3/h空壓機電機送廠維護保養，同樣發現和1#一樣的重大隱患，通風槽板已多處斷裂掉落，只是還未擊傷線圈絕緣。除此之外，空壓機電機運行10多年未做過任何維護保養，18 000 m3/h 空壓機和24 000 m3/h 空壓機都是故障后才送修。之后，才開始陸續對大型電機進行維護保養。由于生產保供的壓力大，設備沒有足夠的停機維護時間。思想認識上還是抱有僥幸心理，導致后續又發生了電機繞組擊穿事故。

3.2 頻繁起動

對電機啟動時轉子線圈發熱重視程度不夠。受保供壓力的影響，在起動失敗后，通常排除故障后，就立刻再次起動。尤其是1#、2#25 000 m3/h 空壓機原先采用熱變電阻起動方式，因設備老化和總降變壓器匝數調整，起動非常困難，連續起動兩到三次，甚至失敗后更換液阻柜液體后又繼續起動，對轉子損傷非常大。這個問題在改為降補固態軟起動后方得以解決。2017 年為查找18 000 m3/h 空分空壓機振動值高的原因，電機在短短兩天內起動3次，相隔3天后又再次起動，直接造成電機轉子鼠籠條與端環焊接處斷裂，擦傷定子線圈發生匝間短路。

電動機啟動前應先手動盤車，確認沒有明顯的卡堵。目前較多空壓機配備盤車電機，先盤車后起動可有效縮短起動時間，增加起動成功率。對于大型壓縮機電機的起動，導葉要有合理的開度，過大將導致起動時間過長，過小則易引起喘振，均容易導致起動失敗。電機起動電流一般為5～7 倍的額定電流，短時間會在繞組內產生大量的熱量，不易散發。所以大型電機在冷態下可連續起動兩次，每次間隔不少于5 min，在熱態下只能起動1 次，以防止繞組線圈過熱。電機起動過程中應注意觀察，有異常應及時用緊急停車按鈕停機。

4 總結

大型異步電動機的運行維護非常關鍵，該氣體公司吸取教訓，及時對2#25 000 m3/h 空分空壓機電機進行了維護保養，避免了一次較大設備事故的發生。大型異步電動機投產后7～8 年宜做一次中修，之后每4～5 年做一次中修，每年可利用停機機會小修保養。保養時間可根據使用環境優劣狀況、是否連續運行、運行負荷狀況、運行中出現的故障等情況適當調整[4]。有條件可上電機在線監測和故障診斷系統[5]。日常使用中杜絕頻繁起動，方可有效減少電動機繞組擊穿事故的發生。