張 艷

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

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YKK400-6 280 kW異步電動(dòng)機(jī)溫升高問題簡析

張 艷

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

簡要介紹了某電廠風(fēng)機(jī)配套用交流電動(dòng)機(jī)溫升偏高問題的分析處理過程。根據(jù)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場工況，參照電機(jī)設(shè)計(jì)資料，通過對電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱原因及配套通風(fēng)散熱系統(tǒng)等進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)溫升偏高原因?yàn)殡姍C(jī)冷卻系統(tǒng)外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)不暢，風(fēng)量不足所致。更換電機(jī)冷卻器配置后，問題得到解決。

電動(dòng)機(jī)溫升；損耗；風(fēng)路；換熱容量；對數(shù)平均溫差

0 引言

YKK400-6 280 kW 異步電動(dòng)機(jī)是我公司為某電廠設(shè)計(jì)制造的風(fēng)機(jī)配套電動(dòng)機(jī)，F(xiàn)級絕緣，B級溫升考核。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生溫升高現(xiàn)象。本文以此為例，簡要介紹電動(dòng)機(jī)溫升高故障的分析和處理。

1 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)型號： YKK400-6

電動(dòng)機(jī)功率： 280 kW

額定電壓： 6 kV

額定轉(zhuǎn)速： 992 r/min

額定電流： 27.56 A

功率因數(shù)cosΦ： 0.828

換熱功率： 17.038 kW

絕緣等級： F

外風(fēng)路進(jìn)口風(fēng)溫t1： 40 ℃

外風(fēng)路出口風(fēng)溫t2： 55 ℃

電機(jī)出風(fēng)溫度T1： 80 ℃

電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度T2： 60 ℃

2 故障分析

2.1 故障檢測

電動(dòng)機(jī)為雙軸伸電機(jī)，通過聯(lián)軸器分別與兩臺(tái)風(fēng)機(jī)連接，安裝在隔音室內(nèi)?，F(xiàn)場運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)生溫升高現(xiàn)象。在隔音室門打開狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)帶載穩(wěn)定運(yùn)行至溫升穩(wěn)定后，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果如下。

定子繞組最高溫升： 107 K

室外溫度： 10 ℃

隔音室室內(nèi)溫度： 32 ℃

冷卻器外風(fēng)路進(jìn)口風(fēng)溫t1＇： 33 ℃

冷卻器外風(fēng)路出口風(fēng)溫t2＇： 55 ℃

冷卻器內(nèi)風(fēng)路進(jìn)口風(fēng)溫T1＇： 69.5 ℃

冷卻器內(nèi)風(fēng)路出口風(fēng)溫T2＇： 46.5 ℃

上述測量結(jié)果中，繞組溫升值為PT100測溫元件監(jiān)控顯示最高值，風(fēng)路風(fēng)溫為檢測數(shù)據(jù)的平均值。

2.2 故障原因分析

當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度超過絕緣材料許用溫度時(shí)，絕緣材料會(huì)迅速老化，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命和運(yùn)行可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞電動(dòng)機(jī)。因此電機(jī)溫升故障需盡早處理。電動(dòng)機(jī)常用絕緣等級和允許溫升見表1。

表1 電動(dòng)機(jī)常用絕緣等級及溫升限值

處理溫升問題時(shí)，主要從電動(dòng)機(jī)自身發(fā)熱和配套冷卻系統(tǒng)通風(fēng)散熱方面著手，針對性解決。

2.2.1 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱分析

電動(dòng)機(jī)發(fā)熱一般分為正常發(fā)熱與異常發(fā)熱兩種情況。

正常發(fā)熱主要來自電機(jī)各種正常損耗以及非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行發(fā)熱。正常損耗為電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗，主要包括：定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等；非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行包括啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)等。電動(dòng)機(jī)在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，繞組內(nèi)電流遠(yuǎn)大于正常工作時(shí)電流，發(fā)熱量驟增，但電機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定后，會(huì)很快恢復(fù)正常。

異常發(fā)熱原因主要有：鐵心疊片絕緣老化導(dǎo)致渦流損耗增加、繞組絕緣老化引起漏電流增加、相電壓不平衡引起的電流不平衡導(dǎo)致的異常發(fā)熱、電源電壓波動(dòng)引起的損耗增大、接線錯(cuò)誤、局部短路、機(jī)械故障等等。除絕緣老化一般是一個(gè)慢性漸變過程外，其余異常原因?qū)е碌陌l(fā)熱變化都比較迅速，且有時(shí)會(huì)伴有振動(dòng)、異聲等，表征比較明顯。

此電機(jī)為我公司成熟產(chǎn)品，同型號、參數(shù)規(guī)格的產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)過多批次實(shí)物，均未出現(xiàn)類似問題。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)原因?qū)е聹厣呋究梢耘懦?。另外，本電機(jī)溫升為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行出現(xiàn)，非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行原因可以排除。

電機(jī)經(jīng)過我公司出廠試驗(yàn)合格后出廠，電機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、性能參數(shù)均符合設(shè)計(jì)輸入，電機(jī)振動(dòng)、噪聲等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。技術(shù)人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電源質(zhì)量符合電機(jī)工作要求；電機(jī)在用戶現(xiàn)場經(jīng)過安裝調(diào)試運(yùn)行也未發(fā)生振動(dòng)、噪聲異常現(xiàn)象。因此，電機(jī)電源質(zhì)量問題、電機(jī)絕緣老化、接線錯(cuò)誤和機(jī)械故障等異常發(fā)熱原因基本可以排除。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)通風(fēng)散熱分析

本電機(jī)帶背包式空空冷卻器，內(nèi)外風(fēng)路冷卻介質(zhì)均為空氣。冷卻風(fēng)路如圖1所示，圖中單箭頭表示外風(fēng)路，重疊箭頭表示內(nèi)風(fēng)路。

圖1 電機(jī)風(fēng)路示意圖

在電機(jī)工作時(shí)，內(nèi)風(fēng)路中空氣在內(nèi)部離心風(fēng)扇的作用下，流經(jīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心風(fēng)道將熱量帶出，經(jīng)內(nèi)部風(fēng)扇端的冷卻器進(jìn)風(fēng)口(電機(jī)出風(fēng)口)進(jìn)入冷卻器，在冷卻器內(nèi)通過換熱管與外風(fēng)路進(jìn)行熱量交換后冷卻，然后再經(jīng)冷卻器出風(fēng)口(電機(jī)進(jìn)風(fēng)口)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部循環(huán)。外風(fēng)路冷風(fēng)在電機(jī)外部軸上的離心風(fēng)扇作用下進(jìn)入冷卻器導(dǎo)風(fēng)筒，流經(jīng)冷卻器換熱管內(nèi)部，通過換熱管與內(nèi)風(fēng)路熱量交換，吸收熱量后從電機(jī)軸伸端的冷卻器尾部排出。

為尋找故障原因，首先我們根據(jù)傳熱方程式來分析電機(jī)冷卻系統(tǒng)的實(shí)際熱交換能力：

Pm=K×A×Δtm

(1)

式中：Pm為熱交換功率，kW；K為冷卻器綜合散熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；A為散熱面積，m2；Δtm為對數(shù)平均溫差，℃。

本電機(jī)冷卻器為逆流散熱，其對數(shù)平均溫差Δtm可按下式計(jì)算：

(2)

式中：Th1、Th2依次為冷卻器熱流體進(jìn)、出口溫度；tc1、tc2依次為冷卻器冷流體進(jìn)、出口溫度。

將冷卻器風(fēng)溫設(shè)計(jì)參數(shù)t1、t2、T1、T2及現(xiàn)場檢測結(jié)果t1＇、t2＇、T1＇、T2＇分別代入式(2)，可得：

Δtm設(shè)計(jì)=22.4 ℃

Δtm檢測=14 ℃

冷卻器換熱面積主要由冷卻管直徑及管數(shù)決定。當(dāng)冷卻器設(shè)計(jì)制造完畢后，其換熱面積A固定，為常數(shù)；在冷卻管直徑及管數(shù)確定的情況下，綜合散熱系數(shù)K隨風(fēng)量的增加而增大。假設(shè)K值不變，由式(1)可知，此時(shí)換熱功率Pm和平均對數(shù)溫差Δtm呈線性關(guān)系。

如果Δtm下降，則熱交換功率Pm減小，換熱能力下降。本案例中冷卻器實(shí)測對數(shù)平均溫差遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)對數(shù)平均溫差，表明在假定冷卻器綜合散熱系數(shù)K保持不變的情況下，冷卻器實(shí)際換熱功率只有設(shè)計(jì)值的60%左右，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。如再考慮綜合散熱系數(shù)值K變化，實(shí)際換熱功率與設(shè)計(jì)值差值將更大。因此，冷卻器實(shí)際換熱功率偏小，無法將電機(jī)內(nèi)部熱量全部帶出。

冷卻器散熱能力不足一般有以下原因：冷卻系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)路風(fēng)量不足；冷卻器散熱面積不足；外風(fēng)路風(fēng)量不足或環(huán)境溫度偏高。

經(jīng)與冷卻器供貨商溝通，此冷卻器設(shè)計(jì)時(shí)已留有設(shè)計(jì)余量，且已多次與同規(guī)格同型號電機(jī)配套使用，未有客戶反映類似問題。隔音室環(huán)境溫度雖遠(yuǎn)高于室外溫度，但是仍未超出冷卻器設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的環(huán)境溫度40 ℃。因此，基本可以排除冷卻系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)路故障、冷卻器散熱面積不足、工作環(huán)境溫度過高的原因?，F(xiàn)對外風(fēng)路風(fēng)量分析，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測結(jié)果可得風(fēng)路溫差如表2所示。

表2 冷卻系統(tǒng)風(fēng)路溫差 K

冷卻器進(jìn)出風(fēng)口溫差公式為：

Δto=P/(Ca×Qa)

(3)

式中：Δto為流體進(jìn)出口溫差；P為風(fēng)路熱交換功率，kW；Ca為氣體定壓比熱容，kW·s/(m3·K)；Qa為風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)式(3)，當(dāng)P、Ca為定值時(shí)，Δto值越大，則表明Qa越小。由表2可知，外風(fēng)路實(shí)測溫差Δt＇比設(shè)計(jì)溫差Δt要大得多，即在當(dāng)前實(shí)際換熱功率下，外風(fēng)路風(fēng)量偏小，不能滿足電機(jī)散熱需求。

經(jīng)查發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)場電機(jī)外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)口處，電機(jī)與用戶風(fēng)機(jī)連接用聯(lián)軸器采用薄鋼板制作的U型保護(hù)罩進(jìn)行了安全防護(hù)；但幾乎完全遮住了電機(jī)外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)口，嚴(yán)重影響了電機(jī)冷卻器外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)。至此，基本可以確定電機(jī)冷卻系統(tǒng)外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)量不足是引發(fā)故障的主要原因。同時(shí)，因聯(lián)軸器保護(hù)罩幾乎完全封死了電機(jī)外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)口，阻隔了徑向進(jìn)風(fēng)空間，大部分進(jìn)風(fēng)需流經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)表面和聯(lián)軸器表面，相當(dāng)于被初步預(yù)熱，也影響了進(jìn)風(fēng)溫度和冷卻效果。

由于隔音室在電機(jī)工作時(shí)一般處于封閉狀態(tài)，電機(jī)冷卻器排出的熱量及羅茨風(fēng)機(jī)等設(shè)備表面輻射熱量均留在室內(nèi)，僅靠兩小功率風(fēng)機(jī)經(jīng)小百葉窗換氣，室內(nèi)環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于室外溫度。此故障發(fā)生時(shí)為冬末，隔音室內(nèi)溫度已達(dá)32 ℃。夏天，電機(jī)工作環(huán)境溫度還將會(huì)進(jìn)一步升高。從這個(gè)角度來說，在目前的現(xiàn)場工況條件下，要求電機(jī)配空空冷卻器是不合適的。

3 故障處理

經(jīng)分析可知，電機(jī)溫升超差主要是因電機(jī)冷卻系統(tǒng)外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)不暢，風(fēng)量不足所致。同時(shí)隔音室內(nèi)溫度遠(yuǎn)大于室外，降低了熱交換溫度梯度，一定程度上也影響了電機(jī)散熱效果。

對此，技術(shù)人員建議將電機(jī)空空冷卻器改為空水冷卻器， 提升電機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力和散熱效率的同時(shí)，徹底避免空空冷卻器外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)問題，降低環(huán)境溫度對電機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響。用戶按建議措施整改完畢后，電機(jī)溫升回復(fù)正常，問題順利解決。

4 結(jié)語

電機(jī)的通風(fēng)散熱過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，它受到電機(jī)電磁、結(jié)構(gòu)、配套冷卻系統(tǒng)等各種因素影響。本次溫升故障的分析處理，為今后深入研究和改進(jìn)電機(jī)通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)提供了一個(gè)思考方向，也為后續(xù)處理類似問題積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]辜承林，陳喬夫，熊勇前.電機(jī)學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[3]丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M].北京：科學(xué)出版社，1992.