大型水電站異步電動機典型故障分析及應對措施

二灘水力發電廠 張樹忠

鼠籠式異步電動機在大型水電站有著廣泛的用途，主要應用于油系統、水系統、風系統、門機、橋機、啟閉機等起重設備的動力驅動。本水電站異步鼠籠式電動機主要有400V和6kV兩種，一般情況下高壓電動機功率越高啟動力矩就越大，故障后果影響也越大。特別是6kV電動機，作為廠房汛期防汛的重要設備，保證其運行的穩定性和可靠性，具有十分重要的意義。在三相交流異步鼠籠式電動機的運行過程中，轉子鼠籠斷條現象十分常見。發生轉子斷條的電動機，在運行過程中振動和噪聲增大，過載能力下降，若繼續運行斷條彈出后將劃傷定子繞組端部的絕緣。

本水電站廠房6kV深井排水泵三相交流異步鼠籠式電動機經過多年運行，先后共有三臺電動機發生故障，分別是廠房#1滲漏排水泵電動機轉子鼠籠條斷裂引起6kV母線602M電壓波動；廠房#3滲漏排水泵電動機轉子鼠籠條斷裂彈出將定子繞組絕緣刮傷，造成定子繞組三相對地擊穿短路，定子繞圈燒毀；6kV電動機大修轉子吊芯檢查時，發現#1滲漏排水泵電動機轉子鼠籠條有一根斷裂。

1 鼠籠式異步電動機轉子發生斷條常見原因分析

頻繁重載啟動。電動機起動時定子電流約為額定電流的4~7倍，此時轉子鼠籠條因最大的感應電流而很快升溫，材料強度下降、熱應力增加，再加上電磁扭矩的劇烈沖擊，使鼠籠條與端環在相對運動中產生較大的剪切力和端環不平衡轉動的離心力。頻繁起動使效應累積至材料疲勞極限，起動、運行中就會導致轉子鼠籠條斷裂。

制造尺寸偏小。因設計鼠籠條尺寸偏小，槽與鼠籠條的間隔偏大，長期在離心力作用下鼠籠條產生徑向位移，使鼠籠條的梯形上底邊與鐵芯處于同一圓柱面甚至凸出柱面，此時槽體斜鍵不能撐緊鼠籠條，鼠籠條在槽內會發生振動，甚至產生火花灼傷鼠籠條與鐵芯。

焊接工藝不良。在銅條轉子中鼠籠條與端環的焊接是用磷銅焊條進行的，如果焊接質量不佳，焊接處受力后很快開焊，鼠籠條焊接處因加熱溫度較高，導致應力最集中部位的材質強度降低，導致鼠籠條斷裂。整個機組振動較大如由于機組的整體強度系數不夠、找正不好、不平衡、靠背輪磨損嚴重、不同心等原因，導致電動機長期在大的振動下起動運行，會使鼠籠條嚴重破損、顫動、疲勞而引起斷條。

電動機起動時間長。當電動機因負載機械卡塞或選型不當使其起動力矩偏小時，都會造成起動時間過長。起動時間長會使鼠籠的溫度猛增而容易損壞；斷條后檢修不及時。鼠籠條斷條很少時，因對電動機的運轉影響不大而難于被發現。當發現電動機在起動時冒火、振動、噪音增大、轉速下降等異常時，斷條已是很嚴重了。

鼠籠式轉子斷條的發展過程：在即將斷裂的部位經常出現過熱、很高的熱應力或機械應力；在達到疲勞極限時，鼠籠條斷裂并產生電弧；在連續起動時，相鄰的鼠籠條通過更大的電流，并承受更大的熱應力或機械應力；造成更多的鼠籠條斷裂，故障更加嚴重，產生較大的單邊磁拉力，使電動機產生振動、噪聲、定子電流波動和溫升增加、轉速波動。

2 6kV三相鼠籠式異步電動機發生斷條故障分析

2.1 斷條故障回顧

廠房#1滲漏排水泵：08-29，廠房#1滲漏排水泵轉子斷條、燒損電動機，將#1檢修排水泵更換至#1滲漏排水泵，原滲漏泵轉子斷條報廢，#1檢修排水泵更換新電動機；03-09，抽芯檢查發現轉子有1根斷條，將該電動機進行更換。廠房#3滲漏排水泵：10月廠房#3滲漏排水泵電動機轉子鼠籠鼠籠條斷裂彈出刮傷定子繞組絕緣，造成定子繞組三相對地擊穿短路，燒毀定子繞圈；對電動機進行更換。

2.2 電動機的控制運行的方式

3臺滲漏泵電動機主要為廠房滲漏排水系統提供動力。主要收集廠房內6臺機組的頂蓋排水、水泵房濾水器排水、機坑排水、主變室排水、補氣水封排水、及尾水管進人門滲漏排水、水輪機層的滲漏排水、廠房內各部排水溝的排水，通過控制系統對深井泵啟?？刂?，經2條排水管將水及時排至＃1、＃2尾水調壓室?？刂品绞接羞h方方式、現地手動、PLC自動循環、人工選擇啟動順序。

正常運行時為PLC自動循環，即當水位達到第一啟動水位時，輪換到“第一啟動”位置的排水泵投運，先打開潤滑水的電磁閥，檢測潤滑水信號正常后延時啟動排水泵；如無潤滑水則報警，同時啟動下一臺排水泵。當排水泵啟動后延時檢測泵無出水則立即停泵同時報警。當水位達到第二啟動水位時，輪換到“第二啟動”位置的排水泵投運；當水位達到第三啟動水位時，輪換到“第三啟動”位置的排水泵投運。當水位達到停泵水位時所有的排水泵停止。3臺泵的啟動順序自動輪換，當某臺有故障時則自動組合剩下2臺泵的啟動順序。

5臺檢修泵電動機主要為廠房機組檢修排水系統提供動力。主要收集廠房內6臺機組檢修時的蝸殼放空排水、壓力鋼管排水、尾水管排水、上下游閘門的漏水，通過控制系統對深井泵啟?？刂?，經2條排水管將水及時排至＃1、＃2尾水調壓室?？刂圃砼c3臺滲漏泵電動機相同。

2.3 廠房6kV電動機運行時間統計

對廠房8臺6kV電動機運行次數及運行時間進行統計，分別在枯水期和汛期進行統計。

數據分析：從表1、表2可得出，廠房滲漏泵（61SB、62SB、63SB）的平均每天運行次數、平均運行時間均遠大于廠房檢修泵（61JB、62JB、63JB、64JB、65JB）；廠房滲漏泵（61SB、62SB、63SB）在汛期平均每天運行次數大于其在檢修期運行次；廠房檢修泵（61JB、62JB、63JB、64JB、65JB）在汛期平均運行次數與檢修期相差不大，平均運行時間在檢修期略高于汛期。

表1 廠房電動機啟動次數、運行時間統計（枯水期12.20-4.19）

表2 廠房電動機啟動次數、運行時間統計（汛期6.18-8.19）

2.4 轉子斷條原因總結

發生轉子斷條故障的電動機均為滲漏排水泵電動機。根據8臺電動機的運行模式，滲漏泵電動機只有3臺，檢修泵電動機5臺。根據表1和表2的數據分析可得，滲漏泵電動機總啟動次數、總運行時間均遠大于檢修排水泵電動機；運行年限長。從發電至現在已運行十年之久；啟動頻繁。從電動機運行方式和數據分析可看出，到達水位自動運行，且水電站廠房位于地下廠房，滲漏水較多；在有輕度斷條故障時沒有及時檢查發現，導致繼續運行，擴大斷條數目；長期處于振動環境。8臺電動機均位于#6機組水輪機旁邊，機組長期運行，帶動電動機基礎振動，導致電動機部分受力不平衡；電動機本身缺陷。設計制造時材料選擇、制造工藝存在缺陷或焊接不牢，進而導致運行時發生故障。

3 應對措施

3.1 加強設備巡視

對于檢修排水泵與廠房滲漏排水泵電機每天至少巡回檢查一次，并監視CCS上電機是否有相關設備異常報警信號。在日常巡檢中要重點檢查以下設備運行情況：電動機運行時聲音無異音、無焦味，振動不超過允許值；電動機各部分的溫度在規定的范圍內，外殼及軸承不過熱；電動機外殼接地良好，電纜引入線固定牢固；電動機運行中三相電壓平衡，電流不超過額定值；、軸承潤滑良好，油位正常，油環轉動靈活；電動機側電纜無滲油，保險及接頭不過熱；各有關信號指示及電動機控制裝置應完整良好。

3.2 科學安排設備運行方式

所有6kV異步電動機正常運行中不允許超過銘牌定額運行，電動機在額定電壓95~105%范圍內運行,其額定出力不變；電動機在額定出力運行時,相間電壓不平衡不得超過額定值的5%；電動機定子電流任一相不得超過額定值，三相電流不平衡最大不得超過額定值15%；檢修后的電動機需測量絕緣電阻值后方可啟動運行。

禁止電動機在無保護情況下投入運行檢修后首次啟動電動機時，應查看電動機的轉向正確，并監視電動機啟動電流和運行電流，運行電流不應超過額定值。正常情況下手動啟動電動機禁止在啟動瞬間立即停止，必須轉速正常后，才能進行停止操作。但缺相運行、機械卡阻、電動機不轉動并伴有嗡嗡聲時，應立即停止。電動機啟動間隔時間不應小于5分鐘，備用電動機應處于隨時可投入運行狀態。對于不運轉的備用電動機，在做定期切換時應手動啟動電動機試運行，檢查是否運行正常。檢修排水系統、滲漏排水系統的電動機采用PLC自動切換方式，并在月設備運行分析中分析統計各電機運行時常。

3.3 加強設備制造工藝

為防止轉子鼠籠條斷裂的措施是制造單位應提高電動機制造質量，改進工藝和結構，盡量使鼠籠條與轉子槽緊密配合，形成一個堅固的整體、不使其松動，并應采用新技術、新材料、新工藝。設計單位應在選擇電動機時充分考慮其安全性和可靠性。

綜上，電站廠房6kV鼠籠式異步電動機發生轉子斷條的均為滲漏排水泵電動機，轉子導條斷裂原因是：長期位于振動區域，電動機重載啟動頻繁，運行時間較長，出現輕微或少量轉子斷條未及時發現而導致事故擴大。通過數據分析，優化運行方式，改善設備運行工況，定期工作及時優化檢查項目。