李彬華 孫佳和

摘 要：本文對鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂故障進(jìn)行分析，并提出預(yù)防措施，從而提高電機(jī)運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：鼠籠型;電機(jī);轉(zhuǎn)子籠條;斷裂;預(yù)防措施

中圖分類號：TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0081-02

0 引言

異步電機(jī)是火電廠運(yùn)行生產(chǎn)中最常見的電氣設(shè)備，其作用是把電動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其中使用最多的便是鼠籠型電機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)啟動(dòng)方便，相對體積較小，工作可靠性高，堅(jiān)固耐用，同時(shí)便于維護(hù)和檢修的優(yōu)點(diǎn)，但也有轉(zhuǎn)子籠條在啟動(dòng)或運(yùn)行中容易斷裂，故障較多的缺點(diǎn)。

本文將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和理論依據(jù)，對鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。

1概況

某發(fā)電廠皮帶機(jī)電機(jī)屬于鼠籠型電機(jī)，共有17臺(tái)，自2004年投產(chǎn)以來，已發(fā)現(xiàn)10余臺(tái)次電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂故障。鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂屬于常見故障，但現(xiàn)階段對于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，維護(hù)人員缺乏有效監(jiān)測手段，多數(shù)是在出現(xiàn)問題后才發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子籠條故障，因此籠條斷裂故障對電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定威脅，若能有可靠有效預(yù)防的措施，可以很大程度避免了電機(jī)運(yùn)行中跳閘的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2轉(zhuǎn)子籠條斷裂電機(jī)基本特征

鼠籠型電機(jī)是一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由銅條或鋁條與端環(huán)焊接或鑄造而成的三相異步電機(jī)，在各行各業(yè)應(yīng)用非常廣泛，一般高壓鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子采用銅條與兩邊端環(huán)焊接而成，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但也有轉(zhuǎn)子籠條在啟動(dòng)或運(yùn)行中容易斷裂，故障較多的缺點(diǎn)[2]。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)并分析，轉(zhuǎn)子籠條容易斷裂的電機(jī)均具有以下特征之一：

（1）電機(jī)一般全壓啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)頻繁重載啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間長。在火電廠之中，輸煤系統(tǒng)中的皮帶機(jī)電機(jī)、碎煤機(jī)電機(jī)，因運(yùn)行工況需要，需經(jīng)常頻繁啟停。（2）已經(jīng)投運(yùn)3年以上的鼠籠型電機(jī)。（3）轉(zhuǎn)子籠條超出鐵芯部分過長，超出長度一般在40mm～70mm以上，較容易發(fā)生斷裂。（4）轉(zhuǎn)子籠條在鐵芯槽內(nèi)存在一定的間隙，且間隙越大故障概率越高。（5）轉(zhuǎn)子籠條與端環(huán)焊接工藝太差。（6）絕大多數(shù)情況，籠條開裂或脫焊部位出現(xiàn)在籠條與端環(huán)焊接部位。（7）當(dāng)只有1～2根籠條輕微斷裂，在電機(jī)啟動(dòng)或運(yùn)行中，此時(shí)故障往往難以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)籠條斷裂嚴(yán)重，甚至已經(jīng)已經(jīng)完全脫焊時(shí)，此時(shí)電機(jī)已經(jīng)無法安全運(yùn)行，并有以下一些故障特征：1）電機(jī)振動(dòng)和噪聲增大，轉(zhuǎn)子籠條斷裂嚴(yán)重時(shí)，噪聲明顯可見，可能伴有咯噠咯噠異響。2）電機(jī)溫度異常上升，轉(zhuǎn)速異常下降，轉(zhuǎn)子籠條斷裂嚴(yán)重時(shí)，繞組溫度快速上升至報(bào)警或跳閘值。3）電機(jī)三相電流不平衡，并三相周期性波動(dòng)不一致。4）當(dāng)籠條斷裂部分脫落后，造成電機(jī)掃膛。

3鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂原因分析

鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂主要原因分為外因與內(nèi)因，內(nèi)因?yàn)殡姍C(jī)在啟停和負(fù)載變化過程中，籠條處所受各種應(yīng)力綜合影響，加上材料受溫度影響的強(qiáng)度變化;外因?yàn)閷?shí)際需要的運(yùn)行工況影響，和轉(zhuǎn)子制造中加工工藝的影響，具體分析如下：

3.1電機(jī)重載啟動(dòng)頻繁

全壓重載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)電流理論上為電機(jī)額定電流5～7倍，且啟動(dòng)時(shí)間高于空載啟動(dòng)，這就造成轉(zhuǎn)子籠條快速升溫，籠條材質(zhì)強(qiáng)度下降，若在轉(zhuǎn)子籠條溫度未下降至冷態(tài)并再次啟動(dòng)時(shí)，由于熱量累積，造成材料逼近疲勞極限，加上轉(zhuǎn)子端部因發(fā)熱不均勻產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，以及受感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁振動(dòng)應(yīng)力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，最終受各應(yīng)力作用點(diǎn)大都集中于籠條與端環(huán)的焊口附近，而此處正是鼠籠結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，每次啟動(dòng)便升溫受力一次，且這些應(yīng)力破壞作用隨啟動(dòng)次數(shù)和溫升次數(shù)累積而增大[3]。

鼠籠型電機(jī)冷態(tài)下第一次啟動(dòng)，籠條和端環(huán)溫度一般能達(dá)到200℃～300℃，若運(yùn)行操作人員未注意，在短時(shí)間內(nèi)（2h內(nèi)）二次啟動(dòng)，籠條和端環(huán)處溫度就會(huì)上升到非常高的溫度，尤其是焊接處機(jī)械強(qiáng)度會(huì)顯著降低，同時(shí)在整個(gè)啟動(dòng)過程中籠條和端環(huán)焊接處所承受的各種應(yīng)力累積達(dá)到最大值，雖然啟動(dòng)時(shí)間一般很短，但在這種情況下，尤其當(dāng)電機(jī)負(fù)載較高或處于堵轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)焊接處溫度甚至高達(dá)400℃～500℃，造成焊接處開裂或脫焊[4]。因此電機(jī)頻繁重載啟動(dòng)，很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子籠條斷裂。

3.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理。

針對電機(jī)需頻繁啟動(dòng)工況時(shí)，普通設(shè)計(jì)的電機(jī)，轉(zhuǎn)子籠條超出鐵芯部分長度一般在40mm～70mm以上，在各種應(yīng)力，尤其是熱應(yīng)力和電磁應(yīng)力相互作用下，會(huì)使整個(gè)籠條在鐵芯伸出部分產(chǎn)生形變，極易引起籠條斷裂。同時(shí)普通設(shè)計(jì)的電機(jī)在端環(huán)尺寸設(shè)計(jì)上也偏小，強(qiáng)度較差，電流載流量不高，重載啟動(dòng)時(shí)由于端環(huán)感應(yīng)電流大溫度過高，造成端環(huán)處整體機(jī)械強(qiáng)度下降更多而容易發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生斷裂故障，可見重載頻繁啟停并不是籠條斷裂的唯一原因，關(guān)鍵還是在籠條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是否合理。通過電機(jī)實(shí)際拆解，可以發(fā)現(xiàn)，鼠籠型電機(jī)中，雙鼠籠的結(jié)構(gòu)，因內(nèi)籠伸出鐵芯長度要比外籠短的多，基本沒有籠條斷裂的現(xiàn)象[5]。如圖1所示。

因此電機(jī)選型時(shí)需要考慮到運(yùn)行工況，合理并有針對性的選擇電機(jī)。同時(shí)籠條在槽內(nèi)是否安裝緊密，也是重要指標(biāo)之一。如果籠條在槽內(nèi)存在一定的間隙，會(huì)造成籠條在槽內(nèi)熱傳導(dǎo)性能不同，使籠條間溫升不均勻，產(chǎn)生一定熱應(yīng)力，加上轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力和受感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁振動(dòng)應(yīng)力，使籠條與端環(huán)產(chǎn)生形變，受力最大點(diǎn)仍是籠條與端環(huán)焊接處[6]。若籠條在槽內(nèi)嵌裝緊密，則籠條上各應(yīng)力可直接傳遞給轉(zhuǎn)子鐵芯，而與籠條和端環(huán)焊接處不發(fā)生力的關(guān)系。

3.3焊接工藝差

如果籠條與端環(huán)焊接質(zhì)量不佳，焊接時(shí)間過長，溫度過高，焊接處虛焊、焊縫內(nèi)有渣，焊接時(shí)溫度不符合標(biāo)準(zhǔn)，焊接附近材料因溫度過高而變形，并遺留熱應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度低。因此焊接工藝是否合格也是轉(zhuǎn)子籠條是否斷裂的關(guān)鍵因素之一。

4預(yù)防措施

4.1優(yōu)化運(yùn)行方式，加強(qiáng)巡檢

根據(jù)生產(chǎn)需要，合理安排電機(jī)運(yùn)行方式，盡量減少電機(jī)啟動(dòng)次數(shù)或延長電機(jī)啟停間隔時(shí)間。若第一次啟動(dòng)不成功，按照電機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定應(yīng)相隔30min后才能進(jìn)行第二次啟動(dòng)，避免連續(xù)熱啟動(dòng)[7]。

同時(shí)加強(qiáng)巡檢和監(jiān)測，對易發(fā)生轉(zhuǎn)子籠條斷裂的電機(jī)，巡檢時(shí)重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)振動(dòng)和溫度變化，發(fā)現(xiàn)問題及早匯報(bào)提早處理。

4.2選擇合適的轉(zhuǎn)子籠條結(jié)構(gòu)

電機(jī)采購選型時(shí)需要考慮到運(yùn)行工況，采購時(shí)因向電機(jī)廠告知電機(jī)可能遇到的運(yùn)行工況，合理并有針對性的選擇合適電機(jī)轉(zhuǎn)子[8]。

若是已采購的電機(jī)，可選擇將轉(zhuǎn)子籠條更換為大尺寸或加固加粗處理。如籠條伸超出鐵芯的過長部分的電機(jī)，可在兩端過長部位補(bǔ)焊一短銅條，焊接在端環(huán)與鐵芯之間，相當(dāng)于加粗。

若更換籠條，更換前需檢查籠條銅表面光滑平整無毛刺，不符合要求可將表面進(jìn)行打磨處理?；\條安裝時(shí)應(yīng)使用木錘，安裝要求籠條在鐵芯槽內(nèi)緊密配合，無松動(dòng)。在焊接時(shí)，應(yīng)避免對籠條直接加熱，這會(huì)造成籠條過熱，機(jī)械強(qiáng)度降低，且籠條過熱變形會(huì)產(chǎn)生一定熱應(yīng)力，造成隱患。

4.3提高檢修工藝

（1）因轉(zhuǎn)子籠條斷裂很少或輕微時(shí)，對電機(jī)運(yùn)行影響很小而造成難以發(fā)現(xiàn)的隱患，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)，往往電機(jī)已經(jīng)溫度過高，籠條部分?jǐn)嗔押笏Τ觯斐呻姍C(jī)掃膛等嚴(yán)重情況，可見如果遇到轉(zhuǎn)子籠條故障，應(yīng)及時(shí)修復(fù)，否則會(huì)造成嚴(yán)重后果[9]。因此針對已出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子籠條斷裂的電機(jī)，或具有多項(xiàng)電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條易斷裂的電機(jī)，因根據(jù)實(shí)際情況，合理安排電機(jī)檢修周期，大修時(shí)增加轉(zhuǎn)子籠條檢查項(xiàng)目，抽轉(zhuǎn)子后需仔細(xì)檢查每一根籠條的松緊程度，有無開裂或裂紋，特別是裝復(fù)前需檢查籠條在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)間隙并記錄數(shù)據(jù)。有經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)子籠條斷裂，在檢修時(shí)卻難以發(fā)現(xiàn)籠條開裂或裂紋的，可以選擇用敲擊聽音法等。（2）籠條焊接時(shí)不應(yīng)使用氧焊，焊料使用銀銅焊條，采用對稱交叉焊法。

5結(jié)語

本文主要介紹了基于某電廠鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂的基本特征，對此問題進(jìn)行原因分析和預(yù)防措施，給同業(yè)人員提供參考。采用相應(yīng)的預(yù)防措施后，降低了電機(jī)轉(zhuǎn)子故障率，保障了電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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