馬 欣， 于文濤， 段士田， 李 博

(1.安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司， 安徽 蕪湖 241003； 2.華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司， 安徽 巢湖 238015)

0 引言

在火力發(fā)電企業(yè)中，液循環(huán)泵是脫硫系統(tǒng)非常重要的設(shè)備之一，主要功能是保證吸收塔中的漿液不斷地循環(huán)，使煙氣中的二氧化硫完全被吸收。漿液循環(huán)泵運行方式直接影響到污染物排放指標(biāo)情況。由于新環(huán)保法的實施，漿液循環(huán)泵的穩(wěn)定運行直接關(guān)系著燃煤電廠的經(jīng)濟運行以及環(huán)保參數(shù)是否達標(biāo)。安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司(以下簡稱蕪湖公司)使用的漿液循環(huán)泵電機是由蘭州電機廠生產(chǎn)制造的型號為YKK500-4的鼠籠式異步電機，因運行工況需求存在頻繁起停的特點，長期運行極有可能發(fā)生轉(zhuǎn)子籠條斷裂和端環(huán)開裂故障，對電廠安全生產(chǎn)帶來一定的安全隱患。因此，及時發(fā)現(xiàn)并解決漿液循環(huán)泵電機轉(zhuǎn)子籠條及端環(huán)故障將有力保障設(shè)備安全經(jīng)濟運行并符合環(huán)保要求。本文詳細闡述了基于振動頻譜和電流頻譜的一起漿液循環(huán)泵電機轉(zhuǎn)子籠條故障分析診斷過程，進而總結(jié)電機轉(zhuǎn)子籠條故障的分析方法，對異步鼠籠電機籠條故障診斷具有參考和指導(dǎo)意義。

1 故障背景

1.1 故障現(xiàn)象

起初蕪湖公司1A漿液循環(huán)泵電機出現(xiàn)了定子線圈溫度突然升高的特征，電機驅(qū)動端軸承振動變大，振動位移為144 um，較歷史數(shù)據(jù)有大幅度上漲，電機內(nèi)部溫度測點檢測最高溫度為131.6 ℃，就地紅外成像檢測問題溫度也達到了98.5 ℃，已經(jīng)超過了規(guī)程規(guī)定的溫度限制。

1.2 故障原因初步排查

電氣和鍋爐維護部對電機軸承、聯(lián)軸器不對中問題和電機冷卻系統(tǒng)進行了排查，沒有發(fā)現(xiàn)問題，同時停泵排查系統(tǒng)并對噴嘴進行了沖洗，試運后溫度高和軸承振動大的情況沒有明顯改善。精密點檢中心對現(xiàn)場進行診斷后判斷電機存在轉(zhuǎn)子籠條斷裂和端環(huán)開焊問題。

2 故障診斷分析與總結(jié)

2.1 精密診斷分析方法及過程

2.1.1 異步電機轉(zhuǎn)子籠條故障機理

異步電機定子電流的理想頻率是單一成分的電源頻率fL，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)故障時，在定子電流頻譜圖上與電源頻率相差二倍轉(zhuǎn)差頻率( ±2sf)將各出現(xiàn)一個邊帶。

當(dāng)電網(wǎng)頻率為fL時，一臺極對數(shù)為p的異步電動機工作時定子繞組產(chǎn)生磁動勢ms的基波為：

ms=KsNsIssin(ωt-pθ)

(1)

式中，Ks為常數(shù)，與電機極對數(shù)、繞組系數(shù)有關(guān)；Ns為定子繞組每項匝數(shù)；Is為定子電流；ω為電源角頻率；θ為相位角。

轉(zhuǎn)子繞組的相位角為：

φ=θ-ωγt

(2)

式中，ωγ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。

當(dāng)p=1時，即兩極電機的磁動勢為：

ms=KsNsIssin[(ω-ωγ)t-φ]

(3)

轉(zhuǎn)子繞組在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下，將產(chǎn)生感應(yīng)電流，建立起一個與定子磁動勢相平衡的轉(zhuǎn)子磁動勢，其基波的表達式為：

mr=KrNrIrsin[(ω-ωγ)t-φ]

(4)

式中，Kr為常數(shù)，與極對數(shù)和轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)有關(guān)；Nr為轉(zhuǎn)子繞組每相匝數(shù)；Ir為轉(zhuǎn)子電流。

當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組存在故障時，例如存在一根籠條斷裂，轉(zhuǎn)子電流的磁動勢被調(diào)制，這時轉(zhuǎn)子繞組磁動勢將變?yōu)椋?/p>

mr=KrNrIrsin[(ω-ωγ)t-φ]sin 2φ

(5)

(6)

由于定轉(zhuǎn)子的磁動勢是平衡的，那么將式(2)帶入，得到反映定子磁勢的表達式為：

(7)

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場旋轉(zhuǎn)速度之差為轉(zhuǎn)差率，對于兩極電機(p=1)，其轉(zhuǎn)差率為：

(8)

即：

ωγ=(1-s)ω

(9)

式(9)代入式(7)即得：

(10)

分析式(10)就可以發(fā)現(xiàn)，磁動勢表達式中第一項分量含有3ωt和3θ，將在三相定子繞組中產(chǎn)生一個零序電動勢，此電動勢對電源電流并無影響。第二項磁動勢分量中含有一個比電源角頻率低2sω的分量，這個分量將使異步電機定子繞組中出現(xiàn)一個比電源電流角頻率低2sω的三相電流分量，它與電源線頻率十分接近，由于它的調(diào)制作用，定子電流將會出現(xiàn)節(jié)拍性變化，電流周期性的脈動將使定子電流表指針發(fā)生擺動，也使電動機的轉(zhuǎn)矩隨之而脈動，從而使異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也將按2倍滑差頻率而波動[1]。

電源頻率表達式如下：

(11)

式中，n為電機同步轉(zhuǎn)速。

極通過頻率可以進行如下?lián)Q算：

(12)

式中，n0為電機實際轉(zhuǎn)速。

p為電機極對數(shù)，2p即為電機極數(shù)，工程實際計算中通常用如下簡化公式計算電機極通過頻率：

(13)

2.1.2 基于振動頻譜方法的電機轉(zhuǎn)子斷條故障診斷分析

現(xiàn)場采集振動數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，發(fā)現(xiàn)振動頻譜中電機轉(zhuǎn)頻兩側(cè)存在大小為1.37 Hz的邊頻帶，如圖1所示。電機實測轉(zhuǎn)速1 478轉(zhuǎn)，同步轉(zhuǎn)速是1 500轉(zhuǎn)，電機為4極電機，將上述參數(shù)代入式(13)，計算結(jié)果為1.4 Hz，與振動頻譜測得極通過頻率數(shù)值非常接近，可以確定該電機轉(zhuǎn)子籠條存在故障。

圖1 蕪湖公司1A漿液循環(huán)泵電機三軸向振動頻譜圖

2.1.3 基于電流頻譜方法的電機轉(zhuǎn)子斷條故障診斷分析

在電流頻譜中，電動機極通過頻率表現(xiàn)為工頻的邊帶，在電源頻率和極通過頻率處均會出現(xiàn)峰值。 工頻峰值和極通過頻率邊帶峰值的幅值差(即dB-Down值)是轉(zhuǎn)子籠條健康的狀態(tài)指標(biāo)，具體評判標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[2]。

表1 電動機電流分析嚴重等級和推薦行動表

采集數(shù)據(jù)后進行分析，電流頻譜測得電機實際轉(zhuǎn)速為1 486.9 rmp，帶入式(13)計算得到極通過頻率大小為0.873 Hz，與圖2標(biāo)注的邊頻帶位置基本相符，通過軟件分析工頻峰值電流頻譜dB-Down值為35.7 dB，如圖2所示。與表1經(jīng)驗值對比，判斷電機應(yīng)該存在轉(zhuǎn)子籠條松動、斷裂或端環(huán)開焊問題。

圖2 蕪湖公司1A漿液循環(huán)泵電機電流頻譜圖

2.1.4 精密診斷結(jié)論、解體驗證和原因分析

精密點檢通過振動頻譜和電流頻譜綜合分析，結(jié)合現(xiàn)場情況最終判斷1A漿液循環(huán)泵電機已經(jīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子籠條斷裂和端環(huán)開焊問題，建議電氣維護部盡快解體檢修。通過解體檢查，發(fā)現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子籠條出現(xiàn)多處松動、斷裂和端環(huán)開焊情況，如圖3所示，驗證了精密點檢的判斷。

圖3 1A漿液循環(huán)泵電機解體故障照片

由于漿液循環(huán)泵電機頻繁起停，啟動瞬間籠條內(nèi)流過的電流很大，使籠條不但承受很大的沖擊力，而且快速升溫，產(chǎn)生熱應(yīng)力，端環(huán)還要承受大的離心力。電機頻繁的啟停，籠條和端環(huán)受到連續(xù)的熱應(yīng)力和發(fā)生形變，各部位引起位移量不同，受力不均衡，籠條在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)緊固得不夠充分，這樣籠條和端環(huán)由于熱應(yīng)力分布不均勻而斷裂。另外從電磁力矩來看，起動時的加速力矩是由籠條產(chǎn)生的，減速時籠條又承受制動力矩，由于負載變化和電壓波動時，籠條就要承受到交變負載的作用，容易產(chǎn)生疲勞，當(dāng)籠型線圈鑄造質(zhì)量、籠條和端環(huán)的材質(zhì)和焊接質(zhì)量存在問題時，籠條和端環(huán)的斷裂、開焊更易發(fā)生。若不及時處理，斷條故障將進一步惡化，出現(xiàn)多根轉(zhuǎn)子斷條，其結(jié)果導(dǎo)致電機燒壞，嚴重時還會由于轉(zhuǎn)子掃膛而擦傷定子鐵芯，導(dǎo)致整機報廢[3]。由于精密點檢發(fā)現(xiàn)得及時，該電機更換松動和斷裂的籠條、對開焊的端環(huán)進行補焊和后續(xù)處理后，設(shè)備恢復(fù)了正常運行狀態(tài)。

2.2 轉(zhuǎn)子籠條故障診斷流程總結(jié)

對于電機轉(zhuǎn)子故障的判別，首先要對故障現(xiàn)象進行分析，查看是否存在電機本體和軸承過熱、電流波動相對較大、起動時間延長、泵或風(fēng)機力矩減小等現(xiàn)象，如出現(xiàn)上述問題有可能存在轉(zhuǎn)子籠條故障。然后通過電流頻譜和振動頻譜精密診斷防范進一步診斷分析，由于電流頻譜設(shè)置的采樣率和采樣點數(shù)相對較高，對于極通過頻率反應(yīng)靈敏，有較高的準(zhǔn)確性，因此建議電機轉(zhuǎn)子籠條故障主要利用電流頻譜手段判斷分析。振動頻譜由于采樣參數(shù)設(shè)置的原因和固有特點在分析電氣故障方面不具備較高的靈敏性，但如果振動頻譜中電機轉(zhuǎn)頻兩側(cè)出現(xiàn)極通過頻率，可以肯定地判斷電機至少存在一個籠條斷裂故障，因此振動頻譜分析可以作為電機轉(zhuǎn)子籠條故障判別的重要輔助手段。如果電機存在軸承磨損、聯(lián)軸器不對中、轉(zhuǎn)子不平衡等非電氣類故障，振動頻譜將更能直觀反映，而生產(chǎn)實際中電機也很有可能同時存在多種故障，靈活運用電流頻譜和振動頻譜分析方法，并結(jié)合設(shè)備和系統(tǒng)實際運行情況，不僅能夠準(zhǔn)確判別故障類別，不至于有所遺漏，還能夠提高故障判別的準(zhǔn)確性和及時性。

3 結(jié)束語

蕪湖公司利用精密點檢振動頻譜分析和電流頻譜分析方法及時準(zhǔn)確地診斷出了漿液循環(huán)泵電機轉(zhuǎn)子籠條故障，保障了設(shè)備穩(wěn)定運行。蕪湖公司自2012年開展精密點檢項目以來，運用振動、紅外、超聲、電流頻譜分析等精密點檢診斷分析方法已經(jīng)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)多次設(shè)備隱患，并通過不斷摸索和實踐，形成了“定期檢測、苗頭預(yù)警、解體驗證、總結(jié)提升”的工作思路，在維持設(shè)備穩(wěn)定運行、指導(dǎo)狀態(tài)檢修方面發(fā)揮了重要作用。充分利用好精密點檢手段，在設(shè)備故障擴大前及時發(fā)現(xiàn)解決生產(chǎn)實際中存在的問題，是發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)安全經(jīng)濟運行和提質(zhì)增效的有力保障。