电机可靠性影响因素研究*

2019-08-03

防爆电机 2019年4期

(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200333)

0 引言

旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，如汽轮机、燃气轮机、水轮机、电动机、发电机和航空发动机等。电动机是驱动风机、水泵、压缩机等旋转机械的主要设备，电动机的用电量占到整个工业用电量的70%以上，是旋转机械中数量最庞大的一类设备，而中小型电动机涵盖功率范围0.55kW～5000kW、电压范围380V～10kV、机座号范围H80～H630，目前我国的中小型电机产品约有300多个系列、1500多个品种，每年的生产量占到整个电动机年产量的60%～70%，广泛应用于工业、农业、商业、运输、国防等国民经济的各个领域，中小型电机的安全可靠运行事关重大。

电机作为各种旋转机械的主要驱动设备，广泛应用于工业生产中的各个领域，一台大型设备或一条生产线往往需要几十台、甚至数百台的驱动和控制电机，哪怕只有其中一台电机发生故障，将导致整套设备、系统或生产线故障；而现代化大生产特别强调连续性，要求成套设备可靠，不间断地运行，由于设备运行的中断，哪怕仅仅几小时，其损失就可高达几十万、几百万甚至更多，严重的可能造成成套设备的报废。因此，与之配套的电动机安全可靠地连续运行，显得至关紧要。

本文从对各类在正常运行中的电机的各个敏感参数进行检测，指出其中出现的异常现象，并提出一系列用于诊断的方法和步骤，用以帮助电机使用方较早的发现问题，更快的解决问题；以避免由于各种微小的故障发现不及时导致的问题扩大从而造成设备的停机甚至损坏。

1 电机故障的主要现象

电动机作为能将电能转换为机械能以供使用的用电设备，被广泛地应用于工业以及家用领域的基础。结构比较简单，由定子和转子两个主要部分，以及端盖、轴承、风扇等辅件构成。

在电机运行中，这些部件都有可能出现问题，有些是制造过程中的工艺不当或设计不当，有些是使用过程中的劳损或使用不当，这些问题都会造成各类的异常现象，综合起来有以下几类现象：温度异常、振动噪声异常、电参数异常等。

2 各类电机的故障现象及机理

2.1 温度异常

2.1.1 概述

电动机的主要发热部件一般为绕组以及轴承，具体到表象上的温度异常一般分为以下几类：轴承温度过高、绕组温度过高、机壳温度过高等。

2.1.2 轴承温度过高

2.1.2.1 轴承温度过高的危害

电动机的轴承作为支撑转子的主要部件，如果出现温度过高而不解决，会导致电机轴承损耗变大，效率变低；甚至可能导致电机轴承咬死，造成电机突然失速；最后造成整套传统系统的损毁。因此，对电机轴承状况的监测至关重要。

2.1.2.2 轴承温度过高的原因

造成轴承温度过高的原因一般有以下几类磨损：机械部件在长期的运行过程中必然会发生损耗，正常运行的电机应该每隔几年对轴承进行一次更换，这方面的懈怠可能造成轴承的过度磨损。过度磨损后的轴承会产生一系列的现象，如轴承温度过高、轴承振动变大以及轴承异响等。

缺油：电机的轴承中会添加润滑脂用以对轴承进行润滑，正常运行中的电机轴承内的润滑脂会逐渐损耗，当润滑脂损耗过大时，会造成润滑不畅，进而造成电机轴承温度显著升高。当发现轴承温度过高而无其他伴生现象时，应当停机检查电机的轴承情况。

其它：电机作为一个整体部件，各个部件的温度过高都有可能传导到轴承上而导致轴承温度过高，因此，当排查出轴承无异常后，应当着重检查问题轴承附近的电机各个部件的异常状况。

轴承温度显著升高的问题需要及时排查，因为这类问题如不及时解决，当轴承温度过高时，可能会造成润滑脂蒸发等现象，会大大增加润滑脂的损耗，在很短的时间内造成轴承的损坏甚至咬死，因此当发现轴承温度过高时，需要及时排查，避免造成进一步的危害。

2.1.3 绕组温度过高

2.1.3.1 绕组温度过高的危害

作为电机电能转换为机械能最为重要的部件，电机绕组的状态监控非常重要，通过对绕组温度的监控，能够反映很多问题，诸如轴承问题导致的负载过大、绕组绝缘受损、负载端异常等，都会导致电机的绕组温度过高。过高的温度会损害绕组的绝缘，传导到轴承上会加速轴承油脂的损耗；因此，对绕组的温度的监控也同样至关重要。

2.1.3.2 绕组温度过高的原因

造成绕组温度过高的原因一般有以下几类

负载异常：电机的使用方在选购电机之前会根据实际使用的情况选择一台合适的电机，在运行过程中的负载突然变化会导致电机的绕组温度发生明显的变化。一般负载的突然变化还会导致电机电流的突然变化。

散热异常：电机在运行的过程中，会产生各种损耗，其中定/转子损耗，铁耗都主要体现在绕组温度上，这就需要靠诸如机壳上的散热筋等部件将这部分发热耗散出去，当发现绕组温度过高时，可检查电机进风口或出风口是否有污物阻挡，散热筋是否有损坏等现象。

绕组老化：正常运行的电机内部温度一般较高，对于变频器供电的电机，还存在着谐波的问题，这些问题都会导致绕组以及磁钢等部件的老化，当老化达到一定程度时，就会造成电机性能的下降，电机从正常运行状况变成过载运行，绕组的温度就会显著上升，一般这类问题导致的绕组温度变化比较缓慢，不太容易发生温度的突然上升。

绕组的温度过高相较于电机轴承的温度问题来说是个比较缓慢地异常现象，一般绕组的温度过高会伴生各类其他异常，但对绕组的温度监测相对于其他数值的监测(诸如风扇损坏会造成的振动异常)来说较为简单，所以绕组温度的监控是目前电机状况检测最为普遍通用的一个方法。

2.1.4 机壳温度过高

2.1.4.1 机壳温度监测的重要性

对于较大的电机，一般采用预埋温度监测设备的方法对电机的轴承或绕组进行监测，但对于体型较小的电机，预埋温度监测设备的方法有时不容易实现，同样的，有些电机在出厂的时候并未预埋温度监控探头，这时，可采用非接触的温度测量方法由专业的值班人员对电机进行巡检来替代预埋温度监测探头的方法。同样，能起到对温度过高的预警作用。

2.1.4 传统电机各部位温度限值

由上文可以看出，在电机的实际使用中，很多的故障会导致温度异常的发生，因此，对温度的监控在电机的实际使用中非常重要，对此，国标GB 14711对电机在安全使用中的主要部位温度进行了规定，下表对此进行了梳理，见表1。

表1 传统电机主要部位温度(℃)、温升(K)限值

2.2 噪声振动异常

2.2.1 概述

电动机作为一种将电能转换为机械能的用电设备，在使用的过程中，不可避免的会产生噪声和振动，尤其是当电机的机械结构发生异常时，最先造成的异常现象，就是噪声或者振动的显著变大。因此，对噪声和振动的监测，能够较早的对电机的故障进行预警，以免引起更大的危害。

2.2.2 振动过大

2.2.2.1 振动过大的危害

正常运行中的电机，不可避免的会产生振动，振动作为电机的一个重要技术指标，也是进行各类电机进行型式试验的几个主要项目之一，长期运行的电机，当发生有机械零部件松脱时，就会产生明显的振动，如轴承的磨损过度会导致电机轴伸侧的振动变大，振动的变大是个恶性循坏的过程，过大的振动会造成更多零部件的损坏，导致振动变得更大，最后造成断轴、底脚断裂等严重危害，严重的可能造成“机毁人亡”的严重事故。

2.2.2.2 振动过大的原因

造成电机振动变大的原因有很多，机械结构上的受损、电气结构上的老化以及安装本身的原因都会导致振动变大。从监测的角度来说，分为各个部位上的振动数值异常，主要分为前端盖振动异常、后端盖振动异常、机座振异常三类。

前端盖振动异常：对于长期运行的电机来说，轴承是最易老化的机械部件，当轴承出线磨损时，电机的端盖侧就有可能产生明显的振动变大现象，此外，电机的出轴产生问题也有可能造成端盖侧的振动异常，当电机在制造过程中的工艺问题或使用不当，在长期的运行之后，可能造成电机的出轴产生裂纹，或者出轴发生弯曲变形，导致电机受力不均，这类问题产生的振动往往比较明显；当发生这类问题是，往往会在电机出轴侧产生肉眼可见的径向跳动。

后端盖振动异常：多数电机在非出轴侧安装了用于散热的风扇，当风扇产生破损时，就会在电机的后端盖侧发生振动的明显变大现象，这类问题可以停机检查风扇的完整性，如风扇状况良好，则应当检查电机后轴承是否有异常现象。

机座振动异常：机座作为电机的主体，各类振动都会传达的电机的机座上，当发现电机整体发生较为明显的振动变大时，应当首先确认电机的安装是否发生了松动，确保每个安装紧固件是否有松动或者变形现象；当电机外部安装紧固部件以及电机本体的各个紧固部件都未发生松动时，则应当进行拆机检查，确认电机是否有内部元件松动，确认是否有诸如转子偏心块的松动、转子扫膛等情况。

2.2.2.3 传统电机振动限值

振动的产生因素有很多，在检测监控方面，主要是对电机三个方向的位移、速度以及加速度进行监控，以此来分析电机某个部位可能产生的问题，下表对传统电机在运行过程中的振动限值进行了梳理，见表2。

表2 传统电机振动限值

2.2.3 噪声过大

2.2.3.1 噪声过大的危害

电机产生的噪声主要分为机械噪声和电磁噪声，正常运行的电机，都会有这两类噪声，相对于电机的振动异常，噪声的陡增更易被人发现并察觉，也更易容易引起注意。因而噪声异常是最容易被发现的异常现象，过大的电磁噪声意味着电机绕组线圈可能存在问题，而过大的机械噪声则意味着可能存在机械部件的松脱甚至断裂。因此，当发现运行中的电机传出异响的时候，应当及时排查问题，严重的应当立即停机，以免噪声更为严重的事故。

2.2.3.2 噪声过大的原因

电磁噪声和机械噪声有时并不容易区分，这时可以采用停机检测的方法进行确诊，当断开电机电源时，电机速度缓慢下降，此时如果噪声依然存在，则为机械噪声，如噪声立即消失，则一般为电磁噪声。

2.2.3.2.1 电磁噪声过大的原因

电磁噪声的产生，一般由于通入绕组上的电流中含有较大的谐波，从而引起绕线等部件的高频振动所产生。一般在由变频器供电的电机上较为明显。当变频器电源质量较差时，长期的运行会破坏电机的绕组绝缘，就会更为明显的电磁噪声；此外，铸造的工艺产生的转子气隙，绕线的松动等原因，都会造成电机的电磁噪声增大。由于电磁噪声的一般由电机内部电气通电部件产生，确诊一般较为复杂，所以，排查时，一般先排查诸如电源质量问题等外部原因，再对电机进行拆解从而对内部问题进行排查。

2.2.3.2.2 机械噪声过大的原因

旋转电机作为一个高速旋转的用电设备，在使用的过程中会不可避免的产生振动，长期的运行下，部件就会产生松动甚至松脱，就会导致“异响”的产生，当发现电机有异响的时候，可仔细分析异响的发生部位，结合对振动的分析，找出产生异响得到源头。当发现异响源于电机轴伸端时，一般是由电机前轴承或与负载的连接发生问题而产生；当发现异响源于后轴侧时，一般由风扇的破损或后轴承的问题而产生；当发现电机内部有异响产生时，应当立即停机，检查电机内部是否有扫膛或偏心块松脱等情况发生。

2.2.3.3 传统电机噪声限值

噪声在实时监控预警中由于干扰因素很多，存在较大困难，一般对电机在空载状况下的噪声进行测试，从而分析电机可能存在的问题，本文对传统电机的空载噪声进行了梳理，见表3以及表4。

表3 传统电机噪声限值

表4 高压电机噪声限值

2.3 电参数异常

2.3.1 概述

电机作为一种用电设备，电参数是一个最基础的性能参数，从电机的用电情况中，不仅能反应出电机自身的运行状态，还能反应出负载端的工作状态，而且，相对于振动和噪声来说，电参数不易受外界干扰，而相对于温度指标来说，电参数又有反应迅速的优势；因此，电参数是对电机运行状况监测以及异常警示的一个最为简单可行的方法。常用的电参数监控一般采用电流监控和电压监控。

2.3.2 电压偏差过大

2.3.2.1 电压偏差过大的危害

电机作为一个用电设备，供电的保证是保证其正常运行的一个主要指标，过度的欠压会造成电机的失速，电流的过大，长期的欠压会导致电机和输电线路长时间工作在过载状态下，导致电机和输电线路的损坏；而过压则会破坏电机以及输电线路的绝缘，可能会在短时间内造成严重的事故；相较于过压和欠压，缺相也同样致命，同样会在短时间内造成严重的事故。因此，对电压的实时监控与预警是保证设备正常工作的一个重要指标。

2.3.2.2 电压偏差过大的原因

电压的幅值的可靠性一般由电源决定，匹配的电源余量不足，电机的遇到负载异常波动的时候就会产生明显的压降，会导致电机的失速，造成设备的停机，而匹配的余量过大，则占用场地且经济效益不佳。

当电机发生欠压时，一般有两类原因造成，一类是电源问题，电网的波动，就会导致供电电压的波动，造成欠压现象，另一类问题是负载问题，过多设备的同时运行或者当前电机的短时过载运行，导致负载过重，造成欠压的现象，多数的电机都有一个工作电压范围，应当尽量保证工作电压的该范围内。

当电机发生过压时，也由电网电压波动造成电源问题和负载问题造成，在配套多台用电设备同时工作的电源系统中，如有多台设备同时停止工作，可能会造成供电电压的陡增，因此，有计划的停机也是非常必要的。

当电机发生缺相时，需要立即停机，切断供电回路进行排查，一般先对输电回路进行排查，确认输电回路是否可靠，再对电源进行排查，确认电源是否有异常情况，如上述两者都正常工作，则问题一般出现在两者的连接部件上。

当电机供电电压出现明显的三相不平衡时，一般通过对电流的分析进行排查。

2.3.2.3 传统电机电压偏差的限值

对电压的监控，相当于对电机用电环境的监控，稳定的运行环境，是保证电机可靠运行的首要条件，一般对电源电压的要求，为额定电压的±10%之内，传统电机在设计时，也会考虑电源电压的波动(又称能源波动)，当电压在额定电压的±10%之内时，电机都能稳定的运行。超出该范围，电机绝缘可能受损，而低于该范围，电机电流可能过高，最终导致电机发热过大而受损。

2.3.3 电流偏差过大

2.3.3.1 电流偏差过大的危害

电压的监测更多的是反映电源供电的情况，而电机用电的情况则由电流的监测情况来反应，电机的过载会导致电流偏大，负载的松脱会导致电流的偏小，而绕组绝缘受损或者人员的触电则会导致电流的不平衡；反言之，过大的电流会导致电机的温度明显升高从而造成电机的损毁；过小的电流意味着电机负载侧或者负载连接处的松脱，不及时解决可能造成更严重的问题；而电流的偏差则多数意味着电机的绝缘问题甚至人身意外的发生。因此，及时发现并解决电流的不正常偏差不但是电机使用可靠的一个保证，也是电机使用安全的必要条件。

2.3.3.2 电流偏差过大的原因

电流的数值能够真实地反映用电设备的使用情况，一般会有以下几类异常电流偏差。

电流过大：当发现电机电流超过限定数值时，应当先行检查电机的供电情况，是否有欠压或者过压的情况发生；供电电源正常时，过流的发生意味着电机的负载发生了异常变大，轴承的磨损、缺油会造成电机负载变大；而电机负载侧的问题也会造成电机的负载变大导致过流现象的发生；其次，当电机的绝缘发生问题时，会导致电机的相间短路或者对地短路，这些问题也会导致过流现象的发生，绝缘问题的一般还伴有电流不平衡的现象。

电流过小：当电机与负载的连接发生松脱时，就会产生电流的明显变小。此时，应当检查电机与负载连接的完好性，确认是否有连接部件的松脱，诸如连轴器松脱，划牙等现象。同时，也应当检查负载的工作状况是否良好。

电流偏差过大：电流偏差分为两类，当电流的数值发生偏差时，一般会有三类原因：一是电源的问题，供电电压的不平衡会直接导致电机电流的不平衡，对电源的检修是解决此类问题的可行方法；二是绕组的老化，电机长期运行后，可能会有绕组老化的现象发生，造成绕组的数值发生变化，导致电流不平衡的产生，可以通过停机，检查绕组的匝间以及绕组阻值的方法来排查这类问题；三是绕组的绝缘问题，这类问题发生时，电机的某相或者某几相电流会明显增大，应当立即停机检查绕组的相间绝缘以及对地绝缘。

电流不平衡：不同于电机的电流数值不平衡，当电机的对地绝缘产生问题时，可能反应在三相电流数值上的变化并不明显，三相电流数值并未明显增大，同时三相电流的数值也并未失衡，但通过诸如专业的功率分析仪等仪器设备，对电机电流进行分析，会发现有零序负序电流的产生，意味着电机对地产生了明显的放电现象。提早的发现这类问题能够在绝缘彻底击穿前解决这类隐患。

2.3.3.3 传统电机电流偏差的限值

几乎电机的任何一部位的异常，都能时时地体现在时时的电流数值上，因此，本文对电机电流的偏差给出了一个限值，当电流与额定值偏差过大时，电机运行就有可能有异常发生，需要仔细检查电机的运行情况，具体见表5。

表5 传统电机电流偏差的限值

3 电机可靠性影响因素

3.1 概述

电机作为一种将电能转换为机械能的用电设备，广泛应用于各类场合，其结构简单，使用方便；由于其维护周期长，所以其可靠性的保证尤为重要，但使用中的各种特殊情况，会对电机各个部件的寿命产生影响，进而造成电机的寿命缩短，造成可靠性的降低。一般，影响可靠性的因素分为两类：环境因素以及使用不当。

3.2 可靠性降低的因素

3.2.1 环境因素

电机在设计制造时，会考虑其实际应用的环境，针对不同的应用环境，会采取不同的设计，诸如隔爆电机、潜水电机等，都是针对特殊应用场合的专用电机。但实际使用中，成套设备的位置不固定，或者遭遇恶劣的气候，造成实际使用环境超过设计值。就会造成设备的失效。因此，实际使用中，应当注意设备的标注使用环境，或者结合实际的使用环境，选择合适的配套电气设备，对于电机，同样如此。如在环境污染等级比较恶劣的场合，尽量避免选用开启式结构的电机，以防发生诸如油污、粉尘进入电机壳体内，造成绝缘失效，扫膛等现象的发生；而在户外应用场合，应避免近地安装，并选用IP防护等级较高的电机，以防在遭遇恶劣天气时，电机的损毁；对于沿海环境的使用场合，使用的电机有针对盐雾以及潮湿环境的设计，以防腐蚀现象的过快发生。

3.2.2 使用因素

电机在实际选用时，一般都会考虑经济因素。规格较小的电机价格较低，然而，实际使用时，可能遭遇各种的突发情况，电网的波动，负载的不稳，对于选型过于拘谨的电气设备会造成过载的现象，长期的累积就会造成性能的丧失，引发失效现象，造成可靠性的降低。因此，适当的留取余量是提升可靠性的一个方法，二期，长期的运行后，各部件的老化不可避免，会造成性能的降低，此时，余量的留取就会发挥作用，所以，余量的留取还能延长成套设备的使用寿命，提升成套设备的可靠性。而使用的过程中，应当避免过载的现象发生，也应当避免过度频繁的起停情况，以防由于上述情况而导致的电机电流超出设计值，造成绕组和输电线路的加速老化；同时，供电设备的选择也应当注意，选择合适容量的电源，能保证供电的质量，减少欠压的情况发生；变频器供电的电气回路中，电机绕组会收到变频器中的谐波影响，这也是必须考虑的因素。