分析高压电动机转子笼条故障的原因及预防方法

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：由表7-3 可知,高压电动机转子笼条断裂、开焊故障率最高。因此,研究故障原因及消除方法是当前大中型火电厂亟待解决的问题之一。鼠笼各部分材质不均及散热条件不一,使鼠笼各部分受热不均,从而产生热应力。现有电动机所具有的特性难以满足这种苛刻要求,这是目前磨煤机电动机笼条发生断裂的主要原因之一。现场调查结果表明,电动机笼条断裂事故与选型和运行不当有关。

由表7-3 可知,高压电动机转子笼条断裂、开焊故障率最高。大量统计表明,它是大中型火电厂普遍长期存在的主要问题之一。因此,研究故障原因及消除方法是当前大中型火电厂亟待解决的问题之一。

由表7 2可知,这类故障主要发生在磨煤机配套电动机上,笼条断裂具有如下主要特征:

(1)开焊或断裂一般都是从外笼开始。如未能及时发现和处理,则会很快扩大到整个转子,以致毁坏整台电动机。

(2)1台新电动机笼条断裂发生的起始时间与启动次数直接相关。启动频繁的,笼条断裂发生的时间就早,启动次数少的笼条断裂发生的时间就晚。大多是运行3～5年开始断条。

(3)笼条断裂的发生与笼条在槽内的夹紧程度密切相关,在槽内松动的笼条容易发生断裂。

(4)笼条断裂的发生还与笼条和端环的焊接工艺质量密切相关。

(5)笼条断裂的断口呈疲劳断口。

(6)断条槽的铁芯多有局部过热变色及烧损现象。开焊处的端环孔周围也有过热变色及电弧烧伤痕迹。

根据上述笼条断裂的特征,可以判定:笼条的开焊与断裂主要发生在启动过程中。笼条的断裂应力包括静态和交变两个分量的应力。它由如下几部分组成:

(1)热应力。笼条中流过电流便产生热量。鼠笼各部分材质不均及散热条件不一,使鼠笼各部分受热不均,从而产生热应力。

在启动过程中,外笼条和外端环中将流过很大的启动电流 (其值可达额定电流的5～7倍),由此而产生的损耗可使笼条和端环产生200～300℃的温升,从而使端环产生相当大的热变形,端环的扩张变形将使笼条受到一个静态弯曲应力。有关资料计算表明,此弯曲应力比笼条所受的离心应力约高6倍左右。

(2)焊接残余应力。目前国产电动机转子笼条的焊接多采用手工气焊,焊接温度难以准确控制。由于端环在焊接中局部受热而产生热变形,焊好后因冷却收缩而造成笼条弯曲应力;又由于每根笼条在焊接温度上的差异,此应力的分布极不均匀,可能造成很高的局部高应力。同时,焊接所必须的温度使焊接区域内的端环和导条受到退火处理,从而使材料的机械强度降低。

(3)交变应力。根据有关资料介绍,笼条所受的交变应力有两种:

1)启动过程中的电磁力,这是笼条中的启动电流与转子磁场的作用力。电磁力作用在笼条上,使笼条被压向槽底,并以2倍笼条电流频率脉动。若笼条在槽内固定良好,则此脉动力仅表现为对槽内铜条的脉动压力,对笼条外悬部分不产生作用。但如果笼条在槽内处于悬空状态,则在脉动力的作用下,笼条将产生振动,在笼条的两个固定端 (即笼条与端环的焊接处),将附加一个2倍电流频率的脉动应力。

2)电动机启停过程中的低频循环应力。此循环应力的幅值即为笼条的全部机械热应力,其交变频率即为电动机的启停次数。由于这种应力交变幅值很大,因此是笼条断裂的主要作用力之一。

根据现场对事故电动机转子的解剖检查和笼条断裂特征及其受力分析,高压电动机笼条断裂的主要原因有:

(1)产品系列不配套。在目前的高压电动机系列中,一般为连续运转型式。而磨煤机的运行是频繁起停、带负荷起动,而且属于冲击负荷。现有电动机所具有的特性难以满足这种苛刻要求,这是目前磨煤机电动机笼条发生断裂的主要原因之一。

(2)设计和工艺方面的问题主要有以下几点:

1)电动机的笼条截面和端环的尺寸偏小。如JSQ158—6型电动机,外笼条的直径有φ8、φ10和φ12三种,实测和计算得到的冷态一次启动笼条局部温度高达500℃,计算得到的热应力高达800～1200kg/cm2。国外同容量电动机笼条直径都较大,约16mm。笼条的电流密度不超过1A/mm2。

2)笼条在槽内的夹紧度不足。国产双笼电动机笼条与槽之间通常采用0.2～0.5mm 的配合公差。因此,笼条在槽内除一些支撑点与铁芯接触外,其余部分均处于悬空状态,笼条在槽内松动。所以在电磁脉动力的作用下,笼条将承受较大的倍频交变应力,使笼条与铁芯磨损,导致间隙增大。国外对笼条在槽内的固定,一般都采用陷形模处理工艺,或槽底用斜楔对槽内笼条进行夹紧处理。

3)焊接工艺质量差。国产电动机笼条与端环的焊接,一般都采用手工气焊,很难保证笼条与端环的焊缝100%地熔合。由于焊接过程中端环受热不均,焊口长短不一,造成局部高温和高应力点,这些点往往形成开裂的源点,在运行中,尤其在启动时,导致开焊。

国外对笼条焊接极为重视,近几年基本上都以自动均匀焊取代了逐根的手工气焊,使用最广泛的是感应加热焊和新的气体加热焊。

4)端环偏心没有找正。在电机生产中,对端环的偏心、歪扭不作要求。然而,在穿条和焊接过程中,端环最容易变形。端环是紫铜材质的,质量很大,旋转中的离心力很大。偏心、歪扭的端环所产生的离心力将造成笼条断裂或开焊。

5)端环尺寸小。启动时由于端环电流密度大,造成温度上升过高,使端环本来就不高的机械强度下降而发生变形,进而发生断条故障。在现场调查中,发现这种情况颇多。

6)笼条伸出铁芯过长。有些电动机转子,特别是双鼠笼转子,其外端环距铁芯的距离竟长达60mm 以上。在各种应力特别是扭振力矩的作用下,会使整个外鼠笼在铁芯伸出端产生扭曲变形,如图7-16所示,从而容易造成断条。在现场调查的双鼠笼电动机中,这种现象很普遍。对内笼,由于伸出铁芯的长度要短得多,基本没有断条和端环变形现象。

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图7-16　笼条弯曲变形

(3)选型和运行不当。现场调查结果表明,电动机笼条断裂事故与选型和运行不当有关。例如,有些电厂对2台电动机拖动1台磨煤机的电动机选用了不同型式、或不同制造厂生产的电动机,由于这两台电动机的启动特性不同,而使其中的1台过载而烧坏笼条。还有的电厂在厂用电系统电压降低的情况下强行启动电动机,造成笼条断裂。

(4)连续启动或启动时间过长。电动机在冷状态下启动一次,鼠笼温度会高达200℃左右。如果再连续第二次启动甚至第三次启动,鼠笼温度将会达到不允许的程度,机械强度也降低得很多。启动过程中鼠笼所承受的各种应力,多数已达到允许值,如果超出材料的疲劳强度就会断条。在断条的电动机中,有相当一部分具有连续多次启动的历史。

当电动机因负载机械卡涩或选型不当,使其启动力矩偏小时,都会造成启动时间过长。启动时间过长会使鼠笼的温度猛增而容易损坏。

(5)电动机检修工艺差。有些电厂对断条的修复质量不太重视,使修复后的鼠笼远不及原来的牢固。重复更换笼条将使转子槽孔尺寸增大,而新换的笼条仍是原来尺寸,使笼条与铁芯间的气隙增大。焊接温度高、工艺差,使焊口附近的材质因高温而脆化,机械强度下降。检修时没有认真检查出断条和裂纹、笼条松动等,致使电机仍带着缺陷运行。

有的笼条经过修理后再次出现故障,主要是焊接质量低劣。其中有的是焊口虚焊,有的是具有残余应力。在启动时的大电流冲击下,在高温、大力矩作用时再次损坏。

(6)断条后检修不及时。鼠笼断条很少时,因对电动机的运转影响不大而难于被发现。当发现电动机在启动时冒火、振动、噪音增大、转速下降等异常时,断条已经是严重了。有些单位,即使发现了早期断条,以为对运行没啥影响而不愿及时停机修理。

鼠笼断条之后,断条中仍有电流。其电流经两侧铁芯流入相邻的笼条,这既增加了相邻笼条的负担,加速了它的断裂,又会烧坏转子铁芯。当断条烧豁铁芯槽口后,在离心力的作用下,断条会跳出槽口造成定子扫膛并碰坏定子线圈,不少电动机就是这样损坏报废的。可见鼠笼断条之后若不及时修复,会造成严重后果。

分析高压电动机转子笼条故障的原因及预防方法

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