一起鼠笼异步电机转子断条故障分析与总结

马 欣， 于文涛， 段士田， 李 博

(1.安徽华电芜湖发电有限公司， 安徽 芜湖 241003； 2.华能巢湖发电有限责任公司， 安徽 巢湖 238015)

0 引言

在火力发电企业中，液循环泵是脱硫系统非常重要的设备之一，主要功能是保证吸收塔中的浆液不断地循环，使烟气中的二氧化硫完全被吸收。浆液循环泵运行方式直接影响到污染物排放指标情况。由于新环保法的实施，浆液循环泵的稳定运行直接关系着燃煤电厂的经济运行以及环保参数是否达标。安徽华电芜湖发电有限公司(以下简称芜湖公司)使用的浆液循环泵电机是由兰州电机厂生产制造的型号为YKK500-4的鼠笼式异步电机，因运行工况需求存在频繁起停的特点，长期运行极有可能发生转子笼条断裂和端环开裂故障，对电厂安全生产带来一定的安全隐患。因此，及时发现并解决浆液循环泵电机转子笼条及端环故障将有力保障设备安全经济运行并符合环保要求。本文详细阐述了基于振动频谱和电流频谱的一起浆液循环泵电机转子笼条故障分析诊断过程，进而总结电机转子笼条故障的分析方法，对异步鼠笼电机笼条故障诊断具有参考和指导意义。

1 故障背景

1.1 故障现象

起初芜湖公司1A浆液循环泵电机出现了定子线圈温度突然升高的特征，电机驱动端轴承振动变大，振动位移为144 um，较历史数据有大幅度上涨，电机内部温度测点检测最高温度为131.6 ℃，就地红外成像检测问题温度也达到了98.5 ℃，已经超过了规程规定的温度限制。

1.2 故障原因初步排查

电气和锅炉维护部对电机轴承、联轴器不对中问题和电机冷却系统进行了排查，没有发现问题，同时停泵排查系统并对喷嘴进行了冲洗，试运后温度高和轴承振动大的情况没有明显改善。精密点检中心对现场进行诊断后判断电机存在转子笼条断裂和端环开焊问题。

2 故障诊断分析与总结

2.1 精密诊断分析方法及过程

2.1.1 异步电机转子笼条故障机理

异步电机定子电流的理想频率是单一成分的电源频率fL，当转子回路出现故障时，在定子电流频谱图上与电源频率相差二倍转差频率( ±2sf)将各出现一个边带。

当电网频率为fL时，一台极对数为p的异步电动机工作时定子绕组产生磁动势ms的基波为：

ms=KsNsIssin(ωt-pθ)

(1)

式中，Ks为常数，与电机极对数、绕组系数有关；Ns为定子绕组每项匝数；Is为定子电流；ω为电源角频率；θ为相位角。

转子绕组的相位角为：

φ=θ-ωγt

(2)

式中，ωγ为转子旋转角速度。

当p=1时，即两极电机的磁动势为：

ms=KsNsIssin[(ω-ωγ)t-φ]

(3)

转子绕组在定子旋转磁场作用下，将产生感应电流，建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动势，其基波的表达式为：

mr=KrNrIrsin[(ω-ωγ)t-φ]

(4)

式中，Kr为常数，与极对数和转子绕组系数有关；Nr为转子绕组每相匝数；Ir为转子电流。

当转子绕组存在故障时，例如存在一根笼条断裂，转子电流的磁动势被调制，这时转子绕组磁动势将变为：

mr=KrNrIrsin[(ω-ωγ)t-φ]sin 2φ

(5)

(6)

由于定转子的磁动势是平衡的，那么将式(2)带入，得到反映定子磁势的表达式为：

(7)

转子转速与定子磁场旋转速度之差为转差率，对于两极电机(p=1)，其转差率为：

(8)

即：

ωγ=(1-s)ω

(9)

式(9)代入式(7)即得：

(10)

分析式(10)就可以发现，磁动势表达式中第一项分量含有3ωt和3θ，将在三相定子绕组中产生一个零序电动势，此电动势对电源电流并无影响。第二项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2sω的分量，这个分量将使异步电机定子绕组中出现一个比电源电流角频率低2sω的三相电流分量，它与电源线频率十分接近，由于它的调制作用，定子电流将会出现节拍性变化，电流周期性的脉动将使定子电流表指针发生摆动，也使电动机的转矩随之而脉动，从而使异步电机转子转速也将按2倍滑差频率而波动[1]。

电源频率表达式如下：

(11)

式中，n为电机同步转速。

极通过频率可以进行如下换算：

(12)

式中，n0为电机实际转速。

p为电机极对数，2p即为电机极数，工程实际计算中通常用如下简化公式计算电机极通过频率：

(13)

2.1.2 基于振动频谱方法的电机转子断条故障诊断分析

现场采集振动数据导入分析软件，发现振动频谱中电机转频两侧存在大小为1.37 Hz的边频带，如图1所示。电机实测转速1 478转，同步转速是1 500转，电机为4极电机，将上述参数代入式(13)，计算结果为1.4 Hz，与振动频谱测得极通过频率数值非常接近，可以确定该电机转子笼条存在故障。

图1 芜湖公司1A浆液循环泵电机三轴向振动频谱图

2.1.3 基于电流频谱方法的电机转子断条故障诊断分析

在电流频谱中，电动机极通过频率表现为工频的边带，在电源频率和极通过频率处均会出现峰值。 工频峰值和极通过频率边带峰值的幅值差(即dB-Down值)是转子笼条健康的状态指标，具体评判标准如表1所示[2]。

表1 电动机电流分析严重等级和推荐行动表

采集数据后进行分析，电流频谱测得电机实际转速为1 486.9 rmp，带入式(13)计算得到极通过频率大小为0.873 Hz，与图2标注的边频带位置基本相符，通过软件分析工频峰值电流频谱dB-Down值为35.7 dB，如图2所示。与表1经验值对比，判断电机应该存在转子笼条松动、断裂或端环开焊问题。

图2 芜湖公司1A浆液循环泵电机电流频谱图

2.1.4 精密诊断结论、解体验证和原因分析

精密点检通过振动频谱和电流频谱综合分析，结合现场情况最终判断1A浆液循环泵电机已经出现转子笼条断裂和端环开焊问题，建议电气维护部尽快解体检修。通过解体检查，发现电机转子笼条出现多处松动、断裂和端环开焊情况，如图3所示，验证了精密点检的判断。

图3 1A浆液循环泵电机解体故障照片

由于浆液循环泵电机频繁起停，启动瞬间笼条内流过的电流很大，使笼条不但承受很大的冲击力，而且快速升温，产生热应力，端环还要承受大的离心力。电机频繁的启停，笼条和端环受到连续的热应力和发生形变，各部位引起位移量不同，受力不均衡，笼条在转子槽内紧固得不够充分，这样笼条和端环由于热应力分布不均匀而断裂。另外从电磁力矩来看，起动时的加速力矩是由笼条产生的，减速时笼条又承受制动力矩，由于负载变化和电压波动时，笼条就要承受到交变负载的作用，容易产生疲劳，当笼型线圈铸造质量、笼条和端环的材质和焊接质量存在问题时，笼条和端环的断裂、开焊更易发生。若不及时处理，断条故障将进一步恶化，出现多根转子断条，其结果导致电机烧坏，严重时还会由于转子扫膛而擦伤定子铁芯，导致整机报废[3]。由于精密点检发现得及时，该电机更换松动和断裂的笼条、对开焊的端环进行补焊和后续处理后，设备恢复了正常运行状态。

2.2 转子笼条故障诊断流程总结

对于电机转子故障的判别，首先要对故障现象进行分析，查看是否存在电机本体和轴承过热、电流波动相对较大、起动时间延长、泵或风机力矩减小等现象，如出现上述问题有可能存在转子笼条故障。然后通过电流频谱和振动频谱精密诊断防范进一步诊断分析，由于电流频谱设置的采样率和采样点数相对较高，对于极通过频率反应灵敏，有较高的准确性，因此建议电机转子笼条故障主要利用电流频谱手段判断分析。振动频谱由于采样参数设置的原因和固有特点在分析电气故障方面不具备较高的灵敏性，但如果振动频谱中电机转频两侧出现极通过频率，可以肯定地判断电机至少存在一个笼条断裂故障，因此振动频谱分析可以作为电机转子笼条故障判别的重要辅助手段。如果电机存在轴承磨损、联轴器不对中、转子不平衡等非电气类故障，振动频谱将更能直观反映，而生产实际中电机也很有可能同时存在多种故障，灵活运用电流频谱和振动频谱分析方法，并结合设备和系统实际运行情况，不仅能够准确判别故障类别，不至于有所遗漏，还能够提高故障判别的准确性和及时性。

3 结束语

芜湖公司利用精密点检振动频谱分析和电流频谱分析方法及时准确地诊断出了浆液循环泵电机转子笼条故障，保障了设备稳定运行。芜湖公司自2012年开展精密点检项目以来，运用振动、红外、超声、电流频谱分析等精密点检诊断分析方法已经准确发现多次设备隐患，并通过不断摸索和实践，形成了“定期检测、苗头预警、解体验证、总结提升”的工作思路，在维持设备稳定运行、指导状态检修方面发挥了重要作用。充分利用好精密点检手段，在设备故障扩大前及时发现解决生产实际中存在的问题，是发电企业实现安全经济运行和提质增效的有力保障。