高壓同步電動機轉子故障分析與預防

劉鳳祥,陳曉輝,吳化龍,楊壘

(中石油云南石化有限公司公用工程部,云南昆明650300)

0 引言

電機作為電力傳動系統中的關鍵設備,對于保障生產裝置的正常運行來說至關重要。隨著電力傳動系統結構的日漸復雜,對于電機的性能要求越來越高。電機的突然停運可能會對生產設備造成危害,更有甚者危及生命安全,其造成的損失遠大于停機檢修所帶來的經濟損失,所以對于電機的故障分析及預防顯得尤為重要。因此,在故障初期就能及時發現故障以便安排合理維修或通過日常的預防性維修發現早期缺陷避免設備故障,具有重大的實踐意義和社會經濟效益。電機轉子是電機中的運動部件,在運行過程中受到軸向電磁力、離心力和熱彎曲擾度力等的作用,在電機的運行過程中轉子故障是主要的故障之一。本文通過一起高壓同步電動機轉子故障案例,闡述了電動機轉子故障分析和整改預防措施。

1 電動機故障概況

某大型石化企業加氫裝置新氫壓縮機電機為某公司制造生產的TAW 4500-18/2600型同步電動機,額定功率4500kW,額定轉速333r/min,功率因數(超前)0.9,驅動負載為三列往復式壓縮機。

2022年5月加氫裝置新氫壓縮機保護裝置報“差動_過電流保護I?段跳閘”、“零序過流I?段跳閘”故障,斷路器跳閘。

2 電動機故障分析

2.1 變電所新氫壓縮機開關柜檢查情況

(1)新氫壓縮機回路差動保護裝置“自平衡差動”和“過流C相故障”故障燈點亮;后備保護裝置“單相接地跳閘”和“DCS/機旁/快切/勵磁”故障燈點亮;綜合自動化后臺報“差動_過電流保護I?段跳閘”、“零序過流I?段跳閘”故障,斷路器跳閘。

(2)變電所其它10kV高壓電機和0.4kV電動機均運行正常。

(3)變電所新氫壓縮機回路(電纜+電動機)絕緣測試：在線絕緣監測裝置絕緣電阻值為1365MΩ,搖表測試絕緣電阻值為400MΩ,絕緣電阻合格。

2.2 新氫壓縮機電動機檢查情況

(1)電源電纜接線盒檢查：未發現有短路和接地現象;分別對電纜和電動機絕緣進行測試,電纜絕緣電阻值為為1000MΩ,電動機絕緣電阻值為為500MΩ;對電動機三相繞組線圈直流電阻分別測試,A相169.5mΩ,B相196.0mΩ,C相間195.5mΩ,繞組直流電阻值的相互差別達到14%,初步判斷電動機存在匝間短路故障。

(2)電動機本體檢查：新氫壓縮機電動機軸伸側轉子的一個磁極線圈固定螺栓3根斷裂掉入電機殼體內部如圖1所示。

圖1 軸伸側轉子的一個磁極線圈固定螺栓3根斷裂

此線圈靠軸伸側阻尼條全部斷裂,其中一根阻尼條斷裂掉入電機殼體內部,此磁極線圈存在脫落情況如圖2所示。

圖2 轉子磁極線圈脫落及阻尼條損毀

定子硅鋼片與轉子線圈硅鋼片因磁極線圈脫落相互摩擦;同時定子線圈因阻尼條掉入電機定轉子之間在線圈槽口位置打擊摩擦造成定子線圈不同程度絕緣損壞如圖3所示,其中兩把線圈磨損較為嚴重導致匝間短路,最終導致零序過流保護和差動保護跳閘。

圖3 定子線圈損毀

2.3 繼電保護動作情況分析

(1)繼電保護配置情況如表1和表2所示。

表1 自平衡差動保護(7SJ682)

表2 后備保護(7SJ683)

(2)繼電保護動作分析

變電所新氫壓縮機電動機額定電流298.6A,故障跳閘時A相電流：200.59A,B相電流：187.29A,C相電流：248.69A,零序電流：84.469A, A相電壓：7.40kV, B相電壓：7.48kV ,C相電壓：3.52kV,故障發生時C相電流較大,同時伴隨電壓降低,零序電流超過設定值67A,初步判定為存在單相接地故障。

2.4 故障原因

結合電動機本體檢查和保護動作情況,經與電機制造廠就新氫壓縮機同步機故障原因進行了討論分析,明確導致螺栓斷裂的根本原因是雙頭螺栓承受了設計工況外的其它載荷,在周期性作用下,發生了疲勞斷裂,主要原因如下。

(1)本臺同步電動機驅動三列往復式壓縮機,電機飛輪力矩雖滿足協議要求,但富裕量較小,三列壓縮機轉矩交變較大,磁極存在較大的沖擊載荷。

(2)電機功率因數(超前0.98)設置偏高,電機抗擾動能力較弱,無功雖然對于電網來說是負面影響,但對于電機來說起到維持定轉子穩定作用(抗擾動作用)。電機在穩定性較差的情況下會導致轉子沖擊增加,對電機的穩定性產生影響,會造成機械結構損傷(雙頭螺桿、阻尼繞組、磁極引線、法蘭等)。

(3)在外因作用下,較大的交變沖擊載荷作用在磁極上,正常磁極依靠其內表面與轉子支架外表面的結合摩擦力來傳遞扭矩,但在較大沖擊下螺桿除承受磁極的離心力,還有一定沖擊載荷,長此以往螺桿容易產生蠕變,造成預緊力(結合力)下降,預緊力(結合力)下降螺桿就要承受更大的沖擊載荷最后疲勞斷裂。

3 整改防范措施

新氫壓縮機電動機解體,返廠維修,維修更換的零部件主要有以下內容。

(1)定子更換整體繞組、端箍、支柱、槽楔、測溫電阻、墊條、引接線、接線螺栓及相關部件。

a.轉子更換磁極鐵心、磁極線圈、阻尼條、阻尼環、全部磁極螺桿及其他相關部件。雙頭螺桿采取了雙螺母鎖緊形式,預緊效果和防松效果更好,除本身雙螺母鎖緊,外側螺母還采取了沖眼嵌緊,降低了由于振動導致螺母變松的可能性,同時雙頭螺桿由機加工藝改為滾壓工藝,降低了螺紋根部應力集中,抗沖擊載荷能力更強。

b.整流裝置在裝配完成后重新檢測。

c.交流勵磁機定子及轉子重新檢測。

d.裝配重新調整檢查氣隙,并更換所有原密封橡膠墊。

e.更換主要連接螺栓。

f.電機重新生產鋼底座,利用試驗軸瓦進行整機出廠試驗。

(2)對同步電動機的運行功率因數進行調整,由目前運行的0.98降至0.95(超前)。

(3)在開展同步電動機引線定期檢查工作的同時,應對電動機轉子線圈固定螺栓進行檢查緊固,發現缺陷及時處理。

(4)同電機制造廠溝通交流,制定專用的同步機檢維修方案定期進行維護,對容易產生疲勞部件位置進行加強設計,利用檢修機會進行整改。

(5)停工大檢修檢修計劃中,將同步電動機檢修工作列入專業化檢修項目,引入專業隊伍(同步電動機廠家)開展全面的檢查和檢修工作。

4 結語

同步電動機是重要的動力設備,主要用于驅動大功率的機械設備,還可以通過勵磁來調節電網的功率因數。同步電動機由于具有運行效率高、功率因數高、穩定性好等優勢而廣泛用于工業生產中,但該電機的故障對工業安全生產有較大影響,因此應加強日常運行維護,尤其是驅動負載轉矩交變較大時,要定期重點檢查轉子線圈固定螺栓,阻尼銅條固定裝置,定子溫度,定轉子氣隙等指標,保證設備安全可靠運行。