劉少輝

(開灤(集團)有限責任公司林南倉礦業(yè)分公司，河北 唐山 064106)

高壓大功率電機軸電壓的危害與抑制

劉少輝

(開灤(集團)有限責任公司林南倉礦業(yè)分公司，河北 唐山 064106)

本文在分析高壓電機軸電壓產(chǎn)生原因的基礎上，用實例闡述了軸電壓對電機軸承所造成的危害，說明了消除礦井提升機電機軸電壓裝置的結(jié)構(gòu)組成。

礦井提升電機；軸電壓；消除；裝置

Hazards and Inhibition of the Shaft Voltage of High-Voltage High-Power Motor

1.前言

隨著計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)中得到了廣泛地應用，基于變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟合理性和優(yōu)越的調(diào)速性能，開灤林南倉礦業(yè)公司也于2008年對擔任礦井提升任務的6kV高壓繞線式異步電動機進行了變頻調(diào)速技術(shù)改造。在各項指標均得到較理想提升的同時，電機軸承的損壞也日趨頻繁，究其原因是電機軸電壓所致。因此，剖析電機軸電壓產(chǎn)生的原因及軸電壓危害，研究、開發(fā)消除和抑制電機軸電壓的措施，對延長電機的使用壽命和提高生產(chǎn)效率具有實用和重要的意義和價值。

2.大型交流電動機產(chǎn)生軸電壓的原因

(1)不平衡磁阻產(chǎn)生軸電壓

大功率電動機的繞線轉(zhuǎn)子是在正旋交變的磁場中運行，當電動機定子鐵心的圓周方向上的磁阻發(fā)生不平衡時，便產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子軸相交鏈的交變磁通，從而產(chǎn)生交變電勢，當電動機啟動高速運行時，定子繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場，通過各磁場極的磁通變化，于是就產(chǎn)生了與軸相交鏈的磁通，隨著磁極的旋轉(zhuǎn)，與軸相交鏈的磁通交替變化，轉(zhuǎn)軸周圍有交變磁通切割轉(zhuǎn)軸，軸兩端感應出軸電壓。例如，電動機由于扇形沖片、硅鋼片疊裝等因素，再加上鐵心槽、通風孔的存在，造成磁路中存在不平衡磁阻，并且在轉(zhuǎn)子軸的周圍有交變的磁通切割轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)子軸的兩端感應出軸電壓，這種電壓方向沿軸向而產(chǎn)生，如果與軸兩側(cè)的軸承直接接觸形成閉合回路，就產(chǎn)生了軸電流。

(2)諧波產(chǎn)生軸電壓

大功率電動機運行在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變供電時由于電源電壓含有較高次的諧波分量，高次諧波的一部分和電動機旋轉(zhuǎn)方向相同時，諧波影響不大：另有一部分高次諧波和電動機旋轉(zhuǎn)方向相反時，切割速度增大，軸電壓非常嚴重，偶次諧波出現(xiàn)時會更嚴重。定子繞組線圈端部，接線部分、轉(zhuǎn)子軸之間產(chǎn)生電磁感應，使電動機轉(zhuǎn)子軸的電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生軸電壓。

3.大中型電動機軸電流存在對滑動軸瓦或滾動軸承的危害

(1)軸電流的形成

目前煤礦用大中型電動機一般采用稀油強迫潤滑的滑動或滾動軸承，電動機軸是沉在油膜上的。正常運行時，轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)在軸承與軸之間擠壓出一層厚度極薄的油膜，起潤滑、支撐和絕緣作用。由于一側(cè)軸承座絕緣相對較高，對于較低的軸電壓，不會產(chǎn)生軸電流。而當軸承座絕緣降低，給軸接地電流形成通路，軸電壓增加到一定數(shù)值時，尤其在電動機啟動時，潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜構(gòu)成回路，因回路的阻抗特別小而產(chǎn)生相當大的軸電流，可達到幾百安培甚至上千安培。

(2)軸電流對軸承的危害結(jié)果

由于該金屬接觸面很小，在一定的電壓作用下電流密度很大，于是將發(fā)生類似于火花放電現(xiàn)象，使軸承局部燒熔，被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，于是在軸承內(nèi)表面上燒出小凹坑。通常是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕，嚴重時可以把軸頸和軸瓦燒壞。潤滑油在軸承內(nèi)摩擦有時產(chǎn)生的靜電荷，使軸的電位因被充電而升高。當運轉(zhuǎn)的軸接觸到旋轉(zhuǎn)體以外的任何金屬部件時，便通過該部件進行放電。否則就要繼續(xù)積累電荷，最后產(chǎn)生過高的電壓，如果超過軸承油膜的絕緣強度時，電荷會在極短的時間內(nèi)放電。這種現(xiàn)象重復發(fā)生的結(jié)果，就能使軸受到損傷。輕度的軸電流會使?jié)櫥碗娊鉄g變黑和軸瓦溫度偏高。較大的軸電流在軸瓦內(nèi)表面燒成麻點、傷痕甚至裂紋，這種損傷不同于軸與軸瓦之間的異常磨損，而是屬于某種物質(zhì)對軸面進行局部的腐蝕。這樣一方面軸瓦內(nèi)表面粗糙度被破壞，同時應力有所下降；另一方面電動機轉(zhuǎn)子軸在高速旋轉(zhuǎn)，于是軸瓦與軸之間發(fā)生激烈摩擦，短時間內(nèi)軸瓦上積聚大量熱量，引起溫度驟升，導致最終的燒瓦(軸承)事故，長時的軸電流存在還會造成潤滑油電解變質(zhì)情況，若不及時停車，甚至可能發(fā)生轉(zhuǎn)子掃膛、轉(zhuǎn)軸彎曲、軸報廢等設備事故。

(3)軸電流對滑動及滾動軸承的危害實例

在我公司的生產(chǎn)過程中，曾發(fā)生過滑動軸承燒蝕以及滾動軸承內(nèi)潤滑油和減速器箱內(nèi)潤滑油變黑的現(xiàn)象。圖1是發(fā)生嚴重點腐蝕后的主電機滑動軸承實物照片，圖2是主井主提升電動機滾動軸承的損壞程度照片，此兩例都說明電機軸電壓對電機軸瓦(軸承)的危害是巨大的，如果不采取有效措施，必然將長期困擾礦井安全生產(chǎn)的正常進行，造成企業(yè)的經(jīng)濟效益損失。

圖1 被嚴重點腐蝕的滑動軸承

圖2 被嚴重燒蝕的滾動軸承

4.預大中型電動機軸電壓的措施

(1)加強日常維護，盡量避免電動機磁阻的不平衡

在日常維護提升機主電動機中，針對電動機磁阻不平衡產(chǎn)生的軸電壓，需要想辦法不讓軸電流在電動機轉(zhuǎn)子軸上行程回路。采用在電動機非軸伸端的軸承座下加裝絕緣墊的方法防止軸電流的產(chǎn)生。為了防止軸電流對轉(zhuǎn)子軸瓦的侵蝕，將軸瓦底座和主電機底座基礎間用絕緣板隔開，連接電動機基礎和底座的連接螺栓用用絕緣套管進行隔離，確保電動機轉(zhuǎn)子軸底座絕緣隔離，切斷軸電流回路。

(2)研制安裝抑制電機軸電壓(電流)裝置

抑制電機軸電壓(電流)裝置的結(jié)構(gòu)示意和原理如圖3、圖4所示。裝置的主要出發(fā)點是使轉(zhuǎn)子軸兩端短路并接地，以消除軸電流。具體結(jié)構(gòu)是在電動機負荷側(cè)轉(zhuǎn)子軸圓周上安裝接地電刷，碳刷架和基礎連接在一起接地，電刷安裝在刷窩內(nèi)靠彈簧壓力與轉(zhuǎn)子軸圓周緊密貼合，這樣在電動機轉(zhuǎn)子軸高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軸電壓(電流)通過導流裝置引到大地，保證轉(zhuǎn)子軸電位為零電位，消除軸電流產(chǎn)生。

圖3 抑制電機軸電流接地裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 抑制電機軸電流接地裝置原理圖

5.結(jié)束語

電機的軸電壓直接影響電機的使用壽命，并大大增加了電機的維修量，特別是對電機軸承的危害更加明顯，這也是許多生產(chǎn)廠家研制生產(chǎn)變頻電機的原由。對于利用原有電機進行的技術(shù)改造項目，開發(fā)裝設軸電壓抑制裝置更具有實用性。從這點出發(fā)，本公司自安裝使用自行開發(fā)的電動機抑制軸電壓接地裝置以來，再沒有發(fā)生過編碼器(安裝在電機軸端的精密計數(shù)元件)損壞等事故，同時大大延長了軸承檢修周期，借此以向廣大同仁進行交流與共同學習，希望為我國煤炭事業(yè)的長足發(fā)展貢獻自己的微博之力。

LIU Shao-hui

(Kailuan (Group) Co., Ltd Linnancang Mining Branch, Tangshan Hebei 064106)

Based on the analysis of the causes of the shaft voltage of high-voltage motor, and with the examples, this paper illustrates the hazards of shaft voltage to the motor bearings, and introduces the device to eliminate mine hoist motor shaft voltage and its structural components.

mine hoist motor; shaft voltage; elimination; device

2016-01-17

劉少輝(1972- )，男，礦大本科函授在讀，從事礦井主提升機電氣設備維修工作，開灤集團礦井維修電工首席技師、煤炭系統(tǒng)技能大師。

TN773

A

1671-3974(2016)01-0047-03