引言

某浮式儲油輪設計有兩套天然氣壓縮機,機組上各配備兩臺軸流風機,風機由一臺15kw交流電機通過皮帶進行驅(qū)動,為原動機缸套水和壓縮后的天然氣提供強制冷卻。機組由廠家進行調(diào)試后交付現(xiàn)場使用,在投入運行4個月后,一臺冷卻風機電機燒毀,在之后一段時間,因為相同原因,連續(xù)發(fā)生了數(shù)起風機電機燒毀事故。

1處理過程

1.1故障現(xiàn)象

風機電機故障后,現(xiàn)場工作人員首先對風機電機進行電氣檢查,發(fā)現(xiàn)電機主回路MCCB動作跳閘,接觸器狀態(tài)良好,熱繼電器未動作,電機對地絕緣值為零,有一相繞組開路,判斷電機已經(jīng)燒毀。隨后對電機進行拆解,發(fā)現(xiàn)電機軸承保持架和個別滾珠受損、滾道損傷,軸承組件表面大多為黑褐色,呈現(xiàn)明顯的高溫氧化特征,各接觸面已無潤滑油脂覆蓋,氧化程度和損傷程度均由內(nèi)到外逐漸變輕:繞組及隙縫處散落黑色金屬粉末:三相繞組全部變色,局部繞組燒毀:絕緣和綁扎帶等變黃、變脆,并伴有開裂現(xiàn)象。

1.2軸承過熱

對未損壞、新采購和維修后的電機進行全面檢查,電機運行電流平均值為25A,電機運行電流雖和相匹配的風機有直接關系,但都未超過電機額定電流29.1A,風機電機對中和風機電機連接皮帶等未發(fā)現(xiàn)異常,電機驅(qū)動端軸承溫度為97℃,初步判斷電機軸承長時間過熱運行,導致軸承抱死,最終電機燒毀。

所謂軸承過熱,是指電機在運行中,滾動軸承溫度超過95℃,滑動軸承溫度超過85℃。軸承過熱的常見原因分析如下:

(1)軸承質(zhì)量較差,制作精度不達標,在設備運行前的運輸及搬運過程中道路顛簸,軸承轉(zhuǎn)子上下跳動:或設備長時間未使用,轉(zhuǎn)子受重力作用,在軸承內(nèi)外環(huán)滾道中的軸向中間形成壓痕,這種損傷在電機運行時,可聽到軸承中發(fā)出有節(jié)奏的"剛剛"聲。

(2)軸承與轉(zhuǎn)子或軸承室的同軸度不符合要求,導致軸承受力增加。

(3)軸承與轉(zhuǎn)子或軸承室配合過緊,使軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)擠壓變形,軸向游隙變小,不能形成良好的油膜,導致軸承滾動困難,產(chǎn)生較多的熱量。

(4)軸承與轉(zhuǎn)子或軸承室配合過松,使軸承內(nèi)環(huán)在轉(zhuǎn)子上、外環(huán)在軸承室內(nèi)快速滑動,摩擦產(chǎn)生大量的熱,造成軸承溫度急劇上升,嚴重時會在很短的時間內(nèi)將軸承損壞:隨著軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子、外環(huán)與軸承室曠量的不斷增加,將產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)子摩擦,繞組過電流等故障,造成電機燒毀的重大事故。

(5)環(huán)境中的粉塵通過軸承蓋與轉(zhuǎn)軸的間隙進入軸承中,大幅度降低油脂的潤滑功能,增加摩擦阻力,產(chǎn)生較多的熱量。

(6)軸電流過大對軸承滑道和滾動體造成損傷,從而產(chǎn)生滾動不暢、摩擦力增大等問題,導致溫度上升。

(7)軸承油脂過多、過少或變質(zhì):軸承室結構存在問題,注脂孔位置設計缺陷:加注油脂時,換用不同品牌的油脂,油脂混用等都會造成軸承溫度升高。

經(jīng)過一段時間排查,共更換軸承四對,其中一對軸承由原型號6309ZZC3更換為6309ZZC4,增加了軸承游隙:一對更換了軸承廠家。電機燒毀后轉(zhuǎn)子軸頸、軸承室檢查結果良好:損壞后返修的電機,各種功能測試正常。軸電流問題大多發(fā)生于變頻電源供電的電機,特別是大中型容量的電機,而此次風機電機為15kw,屬于小型電機,且由工頻電源直接供電,電機發(fā)生軸電流問題的可能性極小。

除電機軸電流未進行驗證外,對可能造成電機軸承過熱的問題都進行了嚴密排查,仍確認不了造成軸承過熱的原因。

1.3電機高溫

電機高溫的原因有兩個方面:一是散熱系統(tǒng)沒有起到應有的作用,二是發(fā)熱部分產(chǎn)生的熱量太多。

1.3.1電機散熱不良

(1)環(huán)境溫度高。據(jù)統(tǒng)計,環(huán)境溫度每增高1℃,電機溫度將增高0.5℃。

(2)海拔超過規(guī)定的數(shù)值。統(tǒng)計表明,環(huán)境海拔每增高100m,電機溫度將在正常數(shù)值的基礎上增高1%左右。

(3)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障,機殼表面出現(xiàn)油污、積灰,制造缺陷或設計存在問題等,都有可能造成電機高溫。

風機電機安裝在浮式儲油輪上,海拔不超過50m,環(huán)境溫度不超過40℃,電機表面干凈無油污,電機位于軸流風機的上風口,在使用自身冷卻風扇散熱的同時,還通過軸流風機強制冷卻,電機散熱不良問題可被排除。1.3.2產(chǎn)生熱量過多

(1)電氣方面:主要包括電源電壓過高、電壓過低、三相電流不平衡和電流超過額定值。

(2)機械方面:主要包括附加在電機輸出軸上的所有負載超過額定值。

浮式儲油輪由配套發(fā)電機組供電,電壓穩(wěn)定在400V,電機三相電流平衡且未超出額定值,軸流風機廠家:MooRE,屬于5433系列,經(jīng)與廠家確認,該系列軸流風機可以與15kw電機進行匹配,設計完全符合使用要求。

電機各項參數(shù)正常,在強制冷卻情況下,電機殼體溫度最高為95℃,電機高溫原因還需要繼續(xù)排查。

1.4電機轉(zhuǎn)速

測量電機轉(zhuǎn)速的儀表,按照在測量時是否與電機旋轉(zhuǎn)部分進行接觸,可分為接觸式和非接觸式兩種類型;按照轉(zhuǎn)速顯示方式,可分為指針式和數(shù)字式兩種;另外還可以分為機械離心式和電子反光式。為保證測量安全和準確性,測量時選擇便攜、非接觸式、電機轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示激光測速儀;為進一步提高測量準確性,在電機的軸承端纏繞黑色膠帶,在膠帶上粘貼12mm左右的發(fā)射條,測量電機帶載轉(zhuǎn)速為1247r/min,低于額定轉(zhuǎn)速1460r/min。

正常情況下,電機應維持額定轉(zhuǎn)速運行,造成電機轉(zhuǎn)速偏低的原因主要有:負載過重、電機故障、電源存在問題、啟動方式選擇或接線存在問題。結合前面的排查過程,后面需要對電機連接方式進行重點排查。

1.5連接方式

如圖1所示,三相電機的接線一般情況下分為3種一星形、延邊三角形和三角形。星形接線法把三相繞組的末端接在一起成為一個公共點,三相繞組的初始端接三相電源,適用于功率較小的三相電機;延邊三角形接線法是將電機定子繞組的一部分接成三角形,另一部分由三角形的頂點延伸接至電源,延邊三角形比普通電機的繞組多3個抽頭,至少需要9個電機抽頭,電機結構復雜,須專門生產(chǎn),從而限制了本方法的實際應用;三角形接線法是將三相繞組依次首尾相連,并將每個相連的點引出,作為三相電的三個相線,接線形狀似三角形,一般在功率較大的三相電機上使用,其在生活生產(chǎn)中使用最為廣泛。

參考電機接線盒內(nèi)部的電機繞組,經(jīng)過現(xiàn)場確認,該15kw交流電機每一相有兩個繞組,每一個繞組有兩個抽頭,三相繞組一共有12個抽頭,三相繞組一端有一個公共點,另一端分別接三相電源,確認為星形連接方式。計劃把電機三相繞組由星形連接修改為三角形連接后,再進行相關參數(shù)測量、功能試驗。

2問題解決

根據(jù)接線盒內(nèi)標識修改電機繞組為三角形連接方式后,啟動冷卻風機,電機運行電流23A,轉(zhuǎn)速1465r/min,穩(wěn)定運行4h,電機表面溫度27C,驅(qū)動端軸承室溫度31C,環(huán)境溫度7C。

風機電機接線修改為三角形連接方式后,轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速,運行電流低于額定電流,電機殼體溫度最高為31C。風機電機連續(xù)運行6個月后,各項參數(shù)仍然正常,未發(fā)生燒毀事故,電機頻繁燒毀問題成功解決。

3原因分析

3.1接線錯誤

風機電機三相繞組一共有12個抽頭,可以接成星形,也可以接成延邊三角形或三角形,存在多種連接方式可選:接線圖沒有標注每種接線方式對應的電源電壓,不方便對接線方式進行修改:接線盒內(nèi)沒有接線端子,抽頭線號全部包裹在絕緣膠帶內(nèi),接線方式不容易直接判斷:國外調(diào)試期間,使用660V電源[4],接線方式為星形連接,改為380V供電后,未對接線方式進行相應調(diào)整。

3.2特性曲線

三相異步電機的工作特性是指在電源電壓和頻率為額定值的條件下,電機的轉(zhuǎn)速、定子電流、功率因數(shù)和效率與輸出功率的函數(shù)關系,如圖2所示。

(1)轉(zhuǎn)速特性n=f(P2):三相異步電機空載時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速n1。隨著負載的增加,轉(zhuǎn)速n降低,轉(zhuǎn)差率s增大,轉(zhuǎn)子電流增加,以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負載轉(zhuǎn)矩P2。

(2)電磁轉(zhuǎn)矩Tem=f(P2):

轉(zhuǎn)矩平衡方程:

因為空載轉(zhuǎn)矩T0近似不變,且電機轉(zhuǎn)速變化也很小,所以電磁轉(zhuǎn)矩Tem隨P2的變化近似為一條直線。

(3)電流特性I1=f(P2):

磁動式平衡方程:

空載時,轉(zhuǎn)子電流I●2≈0,定子電流幾乎全部是勵磁電流I●m。隨著負載的增加,轉(zhuǎn)子電流增加,定子電流也隨之增加。

(4)穩(wěn)定運行區(qū):三相異步電機的機械特性曲線可以分為直線段和近似雙曲線段,如圖3所示,電機拖動恒功率或恒轉(zhuǎn)矩負載時,只能工作在直線段(穩(wěn)定區(qū)),如a、b兩點,但是對于風機類負載,電機還可以工作在近似雙曲線段。

綜合電機的工作特性和3種類型負載的穩(wěn)定工作點進行分析,風機電機繞組接線錯誤,導致電機在欠壓狀態(tài)下工作,轉(zhuǎn)矩按電壓二次方減小,在負載轉(zhuǎn)矩不變的情況下,電機轉(zhuǎn)速n急劇下降,轉(zhuǎn)差率s增大,轉(zhuǎn)子電流增加,定子電流也隨之增加,電磁轉(zhuǎn)矩Tem也開始增加,風機轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速n降低。當電磁轉(zhuǎn)矩等于風機轉(zhuǎn)矩時,無論是在電機機械特性曲線的直線段還是近似雙曲線段,風機都可以穩(wěn)定運行。

3.3運行電流

某消防設備工作站,對消防用風機、電機做了翔實的功能測試,繪制出異步電機的特性圖,反映了電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流隨轉(zhuǎn)速的變化,如圖4所示。電機在最大轉(zhuǎn)矩點時轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2.2倍左右,轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80%左右,電流為額定電流的2.8倍左右,功率(與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的積成正比)為額定功率的1.7倍左右。對比本文所述軸流風機,電機轉(zhuǎn)速1247r/min,約為額定轉(zhuǎn)速的85.0%。

圖7異步電機特性圖

電機繞組星形連接,實際運行電流25A,約為星形連接額定電流的1.5倍,風機電機長時間過流運行,造成電機定子或轉(zhuǎn)子過熱,電機的熱量傳到軸承中,使軸承中的潤滑脂溫度達到其滴點而變成液態(tài)流失,軸承失去潤滑而產(chǎn)生較高的熱量,導致電機軸承損壞、電機燒毀。

7結語

電機運行電流小于額定電流,電機軸承損壞導致電機燒毀這一表面現(xiàn)象,使工作人員在處理電機頻繁燒毀故障時走進了誤區(qū),這是問題沒有及時得到解決的重要原因。本文通過對電機軸承、定子、帶載情況、接線方式等多方面的排查,對故障進行了多方面分析,最后確定故障原因,希望能為同類電機燒毀、軸承故障的快速處理提供一些借鑒。