轴电流引起的电机轴承烧损事故分析

1、 轴电流引起的电机轴承烧损事故分析周文,唐建惠,康丽华河北省电力研究院,河北石家庄(050021摘要通过对某电厂高压电机轴承过热故障进行分析,阐述了变频调速电动机轴电压和轴电流产生的原因,形成的危害以及采取的技术措施。关键词变频调速;轴电流;轴承;绝缘Fault Ana lysis on the Burned M otor Bear i n g Caused by Bear i n g Curren t Zhou W en,Tang J ianhu i,and Kang L ihuaAbstractThr ough analyzing failure of the overheated hig

2、h2voltage mot or bearing in a electric stati on,this paper describes the reas ons and har m s p r oduced by shaft voltage and shaft current of the variable2frequency adjustable2s peed mot or as well as the technical measures that should be taken.Key wordsVariable2frequency adjustable2s peed;bearing

3、current;bearing;insula2 ti on0引言某热电厂2×300MW机组辅机系统的高压电机采用变频调速控制,在运行中发现电机的轴承有过热现象。如给水泵电机在运行中发现轴承温度高,轴承受到烧损,从机械方面分析采取措施后效果不明显。经分析检查是由于轴电流作用造成的。给水泵电机的型号为YKS71024,额定功率为3600k W,额定电压为6k V,额定电流为394A;采用滑动轴承,高压变频调速系统,装置型号为HARS VERT2A。1轴电压产生的原因旋转电机在运行中产生轴电压的原因有轴交链交变磁通和静电荷积累两种。前者产生的轴电压是连续的、周期性的。通常转子切割磁场感应的

4、交变电势所产生的交变电流也是对称的,因此,正常时转子两端间不会有不对称电压的出现。但是当电动机的定子铁心的圆周方向上的磁阻出现不平衡时,便产生与轴相交链的含有谐波的交变磁通,这时就会产生不对称的交变电势。随着磁极的旋转,其与轴相交链的磁通交替变化,便产生了轴电压。这种电压是沿轴向而产生的。一般情况下,这种轴电压大约12V。然而静电荷产生的轴电压是间歇的,并且是非周期的,其大小与运转状态、流体的状态等因素有关。电动机在运行过程中,负载方面的流体会与运行的旋转体有摩擦,因而在旋转体上产生静电电荷,电荷逐渐积累便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁交变产生的轴电压在机理上是不同的。轴电压通常81

5、0V左右。测量时使用10 20V的高内阻电压表,在被试电机运行于空载和负载的情况下分别进行测试,测试方法如图1所示,分别测量U1和U2。(a两端轴承短路(b励磁机侧轴承短路(c汽机侧轴承短路图1轴电压的测量注意测点表面要和电压表引线接触良好。U1=U2表明油膜绝缘良好,U1>1.1U2说明绝缘不良。43 2轴电流的形成和危害大中型交流电动机运行中,转子轴电压一旦形成回路,就会产生轴电流。轴与轴瓦之间采用油润滑,电机轴是压在油膜上的。由于轴电压幅值较低,所以油膜的绝缘一般是不会被击穿的。 在转子高速运转过程中,如果出现润滑油脂不合要求或缺油等情况,将会导致油膜破裂击穿,造成轴和轴瓦形成金属

6、性接触,在瞬间轴电压会形成闭合回路,形成低电压击穿。这时,产生的轴电流相当大,瞬间可达到几百安甚至上千安,足以烧坏轴颈和轴瓦。由运行摩擦在轴上产生的静电电荷逐渐积累,使轴电压的电位因充电而不断升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时,便通过该部件进行放电。当运转的轴一直不接触旋转体外的部件时,会一直积累电荷,最后产生过高的电压。如果该电压超过轴承油膜的绝缘强度,那么电荷在极短的时间内放电,则形成轴电流。轴电流会在转轴、轴承内圈、轴承外圈、轴承室构成的回路中流过,最显著的是在转轴轴承的位置和轴承内圈表面因电弧放电产生的小而深的圆形蚀点。轴电流不但破坏油膜的稳定和油膜形成条件,而且由于放电在转

7、轴和轴承内圈的表面产生很多蚀点,破坏了轴与轴承的良好配合,从而造成轴承无法正常工作。在特殊情况下,强大的轴电流会在轴颈和轴瓦的接触面上产生强烈的电弧,导致轴颈和轴瓦损坏,造成电机振动和杂响声,最后导致电机无法正常工作。轴电流可以分为低频轴电流和高频轴电流。由于交变磁通、静电荷积累以及电动机制造中产生的不对称等原因,产生的轴电流往往频率不高,属于低频轴电流。一般来说,交流传动系统都会产生轴电流,但大多数幅值低,达不到危害程度。滚动轴承的油膜比较薄,对轴电压敏感,轴电流流过滚动体与内外圈的细微接触点时,如果电压比较高,那么内外圈的接触面就会出现击穿现象。近年来随着变频技术的发展,交流传动系统采用了

8、P WM 变频控制方式,如图2所示。使用I G BT 快速切换元件,在轴承上会产生高频电流脉冲。这些脉冲电流的能量高到一定程度,就会造成轴承的损坏。典型的三相正弦电源是平衡的,而P WM 电源三相输出电压的矢量之和不为零,导致中性点的电压不为零,这个电压定义为共模电压源。这些谐波在转轴、定子绕组和接线部分等产生电磁感应,绕组中点电位可能远离接地点,这种共模电压以高频振荡并与转子容性耦合,产生转轴对地脉冲电压,峰值可达1040V。图2变频电源控制示意图任何时候,当两个导体通过绝缘体隔离后就产生电容。由于电缆的相线与PE 线之间有P VC 绝缘电容,所以电机绕组与外壳有镀层和片层绝缘有电容。电缆间

9、电容尤其是电机内部的电缆电容非常小,小电容意味着对低频的高阻抗,阻止低频杂散电流。对于高频电流,即使电机内部电容很小,也会产生一个低阻抗通道使电流通过。高频轴电流加大了大中型交流电动机轴电流的幅值。容易造成轴承温升过快、烧损和电机振动等情况。在形式上,高频电流又分为高频循环电流、轴对地电流和容性放电电流三种。(1高频循环电流,定子对地电压含有大量谐波。由于定子与机座之间存在寄生电容,所以存在容性电流,这些容性电流在定子上产生高频磁通,并在电机轴的两端感应出高频电压,一旦击穿轴承油膜,在轴承、轴、定子机座之间形成回路,即高频循环电流。在这种情况下,点击相当于一个变压器,流经定子外壳的的共模电流(

10、一次侧,并在转子回路(二次侧,感应出高频循环电流。该轴电流幅值取决于电机的额定功率和交流传动功率元件的d u /d t 。轴电流的典型峰值值为320A;(2轴对地电流,泄漏到定子机座的电流形成轴对地电流。而任何流回去的回路都含有阻抗,因此电机机座的电压高于电源的电压。如果电压足够高,能够击穿电动机侧轴承的油膜,轴电流就会通过传动侧轴承,产生高频轴对地电流;(3容性放电电流,共模电压的内部电压分量在电机内部杂散电容上会产生高频轴电压,该电压可能高到会产生高频轴电流脉冲,容易形成容性放电电流。对于大型交流电机,由于定子电流大,所以感应的轴电流比较大,容易造成轴承损坏。3轴电流的预防措施3.1轴电流

11、烧损轴承的分析判断(下转42页53 (g 51 号下层线圈励端相连接线径向传递函数图(h 3号下层线圈励端相连接线切向传递函数图图4对应传递函数图从表2中的试验数据可以看出,在95Hz 110Hz 频率范围内,汽励两端鼻端和相连接线等部位最大响应均小于表1中规定限值,各个部位固定满足要求。另外,该型发电机在大修间歇期间检查未发现线圈、励端端部引线等部位松动磨损情况。进一步证明该发电机绕组端部固定方式和判定标准是可靠有效的。5结语与国内同等级容量机组压板固定方式相比,390H 定子绕组端部固定结构主要的特点可归纳为:(1用浸胶玻璃丝束代替压板固定,固定方式简单,操作容易;(2用浸胶玻璃丝绑扎绕组

12、端部,端部过风面积大,冷却效果好;(3设定了绑绳的具体长度,绑扎过程中使用的专用工具,避免人为原因导致绑扎不牢;(4绕组端部绑扎后采取淋特殊环氧树脂胶将端部粘成一体,端部整体刚度好;(5绕组端部设置了永久环,端部整体支撑刚度得到加强;(6整个绕组端部采用刚性支架夹板,径向刚度好,轴向滑移结构合理;(7与国标G B /T7064采取以端部固有频率作为判定标准不同,国外公司采用绕组端部响应(加速度/力大小来判定端部固定是否合格。作者简介:汪伟男1976年生;毕业于中国地质大学机电学院机电一体化专业,现从事汽轮发电机设计工作.收稿日期:2009212216(上接35页对滑动轴承而言,轴电流小于10A

13、,基本无烧蚀;轴电流达到1040A,只能维持运行300012000小时。对于滚动轴承,轴电流的损伤更加严重,只有轴电流低于1A 时,一般滚动轴承才能稳定运行。电动机所允许的轴电压轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油脂、转速、安装质量以及轴电流流经路径的阻抗有关系。3.2轴电流的预防措施(1均衡接地电压:由于存在分布电容,在同一根电缆的屏蔽层(都已经接地的两端对地实际电压并不完全相等,这样在电缆上存在压降,就会存在电流。通过均衡接地电压,降低电缆屏蔽层的压降,可以降低流经轴承的电流。具体做法是在现场安装一个公用接地母排,然后将各电机接地端子与之相连接,从而降低电压降。另外,选用线径为1.52.5倍电源线径的地线,电缆的屏蔽层采用铜编制带,屏蔽层的总截面积应不小于相线的1/2。降低电机电缆屏蔽线的接地电阻,从而使电缆上部分电流在通过轴承之前接地,分流轴承电流;(2辅助措施:对逆变器供电的调速系统加装高频滤波器,或者给变频调速装置加设共模滤波电路,保证带宽10kHz 以上。如果变频电机轴头安装测速计,编码器等设备时,不但电动机非传动端轴承需采取绝缘措施,传动端也需要进行绝缘,以切断轴电流通过传动端轴承构成回路。还可以在电动机两端