沙 云，李庚偉（蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 ）

0 前言

當(dāng)前，水泥磨高臺(tái)時(shí)產(chǎn)量要求水泥磨主電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須配置大功率的高壓繞線電機(jī)。大型高壓繞線轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同于籠型轉(zhuǎn)子，具有較強(qiáng)的復(fù)雜性。由于轉(zhuǎn)子外徑大，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)下，轉(zhuǎn)子線圈、導(dǎo)電排、引線電纜等受到很大的離心力作用，其經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題主要集中在繞組端部綁扎、引接線固定及并頭套焊接等薄弱環(huán)節(jié)上。

海外某項(xiàng)目水泥磨主電機(jī)為國(guó)產(chǎn)封閉式IC86W大型高壓異步繞線式電機(jī)，電機(jī)功率：600000kW，定子：6 600 V，625 A,Y聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)子：2144 V，106990 A，三角形聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速：9950r/min，絕緣等級(jí)F級(jí)。該水泥磨投產(chǎn)三年后某日發(fā)生磨主電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子燒毀事件。

1 事故經(jīng)過(guò)及轉(zhuǎn)子損壞情況

1.1 事故經(jīng)過(guò)

當(dāng)日水泥磨入磨回轉(zhuǎn)下料器故障，導(dǎo)致水泥磨主電機(jī)聯(lián)鎖跳停，值班人員處理完回轉(zhuǎn)下料器故障后中控起動(dòng)磨主電機(jī)，主電機(jī)起動(dòng)完畢后，開始投料并落輥，約數(shù)秒鐘后，磨機(jī)跳停。當(dāng)班附近巡檢人員聽到電機(jī)內(nèi)發(fā)出數(shù)聲悶爆聲音，并看見有煙從電機(jī)冒出。從操作員站調(diào)出磨機(jī)的歷史趨勢(shì)可以看出，該電機(jī)從上一次跳停到再次起動(dòng)主電機(jī)約120min，從電機(jī)起動(dòng)后到跳停時(shí)間約300s。

1.2 損壞情況

檢修人員打開電機(jī)主接線盒，斷開電纜連接，測(cè)量定子繞組絕緣阻值，絕緣良好。打開轉(zhuǎn)子進(jìn)線盒和集電環(huán)護(hù)罩，斷開連接液體變阻器柜電纜，斷開集電環(huán)導(dǎo)電桿上轉(zhuǎn)子引出線連接，測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組引出線絕緣，電阻值為0，判定轉(zhuǎn)子燒損。電機(jī)被拆運(yùn)至機(jī)修車間打開電機(jī)端蓋后發(fā)現(xiàn)，該電機(jī)尾端已經(jīng)變黑，轉(zhuǎn)子非軸伸端并頭套多處融化，絕緣燒焦、破損、露銅。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排固定線夾斷裂，絕緣紙松開，引接線上無(wú)緯帶松脫。轉(zhuǎn)子鐵芯固定支架螺栓處有短路放電痕跡，螺栓被局部燒融。其中有并頭套中焊錫融化引起熔融金屬液滴飛濺并引發(fā)對(duì)支架固定螺栓放電痕跡，熔融的金屬滴液被高速甩出，濺射到定子繞組端部。部分破碎的金屬碎片擊中定子繞組端部，造成繞組端部部分無(wú)緯帶破損。

2 原因分析

2.1 過(guò)程分析

（1）電機(jī)在熱態(tài)狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中轉(zhuǎn)子電流最大，所受電磁力也達(dá)到峰值，轉(zhuǎn)子繞組端部?jī)?nèi)外疊層端部小頭受力不均，發(fā)生微小位移變形。在大起動(dòng)感應(yīng)電流和強(qiáng)磁場(chǎng)力的共同作用下，轉(zhuǎn)子繞組并頭套虛焊的部位接觸電阻增大，局部過(guò)熱，并頭套內(nèi)搪錫融化，導(dǎo)致并頭套開焊，并頭套約束力下降，外層絕緣燒毀，發(fā)生附近多個(gè)并頭套間短路，轉(zhuǎn)子線圈匝間和繞組間短路，進(jìn)一步加速并頭套外層銅皮融化和絕緣的損壞。

（2）隨著轉(zhuǎn)子加速至額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組端部變形加劇，轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)部分開路，三相轉(zhuǎn)子繞組電流出現(xiàn)較大差異，在其中一相轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排上出現(xiàn)最大電流，這種高壓電流產(chǎn)生的電動(dòng)力和高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，導(dǎo)電排和引出電纜連接處擠壓固定線夾，造成線夾崩斷，導(dǎo)電排下面的墊片甩開翹起。

（3）并頭套上融化的金屬液滴在電機(jī)剛啟動(dòng)低速時(shí)，在速度的作用下滴落在轉(zhuǎn)子鐵芯上呈放射狀，并引發(fā)轉(zhuǎn)子繞組多處不穩(wěn)定接地故障，其中一處接地故障對(duì)突出的固定支架螺栓帽進(jìn)行放電，造成螺栓被局部燒融。而多處兩點(diǎn)間的接地故障，電流在線圈內(nèi)循環(huán)，并在很短時(shí)間內(nèi)造成線圈內(nèi)并頭套進(jìn)一步融化和損壞。在電機(jī)啟動(dòng)完畢后，金屬液滴被高速甩出遠(yuǎn)離軸中心，擊中定子線圈端部。并頭套外絕緣和線夾斷裂產(chǎn)生的碎片也被高速甩出，劃傷定子繞組端部無(wú)緯帶。

2.2 原因分析

（1）該電機(jī)轉(zhuǎn)子并頭套采用1.5 mm紫銅皮包裹，內(nèi)部錫釬焊工藝，為了使其接觸良好，在銅套之間敲入掛錫銅楔，以填滿上下層導(dǎo)體間的空隙。該工藝處理的焊口耐高溫能力較差，焊錫無(wú)法充滿整個(gè)并頭套內(nèi)部空間，容易造成電機(jī)連接不良，出現(xiàn)焊接質(zhì)量不好、焊接不牢不滿、套內(nèi)有空隙、開焊等問(wèn)題。由于虛焊部位電阻較大，當(dāng)電流較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高溫升，使搪錫融化流出，造成轉(zhuǎn)子回路部分開路，破壞并頭套外層絕緣。

（2）并頭套外層絕緣采用環(huán)氧粉云母（即B級(jí)膠帶）半疊包繞再經(jīng)加熱固化。絕緣轉(zhuǎn)子雖然采用真空VPI浸漆，但不能滲透并頭套絕緣層，填滿并頭套絕緣層內(nèi)部及并頭套內(nèi)的間隙，容易造成絕緣層強(qiáng)度下降，影響并頭套的電氣性能和機(jī)械性能，這種方式的絕緣容易磨損。

（3）隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的老化，其絕緣會(huì)受到溫度、機(jī)械磨損和操作事故的影響。凡是引起發(fā)熱、燒毀、高應(yīng)力等操作事故，都會(huì)對(duì)絕緣產(chǎn)生不利影響。電機(jī)使用的時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子絕緣層因機(jī)械應(yīng)力或熱相關(guān)的損壞而損壞的可能性就越大。起動(dòng)次數(shù)太多會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)異常高溫，從而加速轉(zhuǎn)子絕緣的系統(tǒng)性退化，并導(dǎo)致使用壽命異?？s短，甚至引發(fā)電機(jī)故障。更頻繁的起停往往會(huì)在絕緣上引起更多機(jī)械磨損，并會(huì)導(dǎo)致電氣連接薄弱處累積變形和磨損，這是因?yàn)槊看无D(zhuǎn)子加速時(shí)，絕緣層和銅都會(huì)承受極高的重力。盡管沒(méi)有確切的公式，但頻繁起停運(yùn)行的設(shè)備絕緣壽命約為基本負(fù)載設(shè)備的絕緣壽命的30%至50%。

3 采取的維護(hù)措施

由于處理并頭套開焊、轉(zhuǎn)子繞組燒毀、定子繞組端部掃膛等問(wèn)題的方法和文獻(xiàn)不少，本文就僅從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)角度來(lái)提出幾點(diǎn)措施。

（1）合理利用電機(jī)空間加熱器。設(shè)備周圍環(huán)境濕度大，環(huán)境溫度變化大，絕緣層表面會(huì)凝露，繞組線圈受潮，影響電機(jī)絕緣?？梢愿鶕?jù)季節(jié)、濕度、氣溫變化、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短等因素起?？臻g加熱器。例如此項(xiàng)目所在地區(qū)雨季陰冷潮濕，空氣濕度大，停機(jī)時(shí)間相對(duì)較短時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行后可開啟空間加熱器，使其內(nèi)部保持相對(duì)較高的溫度，避免凝露和濕氣侵入。

（2）測(cè)量轉(zhuǎn)子開路電壓試驗(yàn)?？梢灾朴喍ㄆ谠囼?yàn)計(jì)劃，比如季度試驗(yàn)或者半年試驗(yàn)計(jì)劃。在確認(rèn)定子繞組完好的情況下，通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算出轉(zhuǎn)子開路電壓平衡度和定子電壓與轉(zhuǎn)子開路電壓的算術(shù)平均值之比，進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子繞組有無(wú)短路，并聯(lián)支路匝數(shù)是否相等、三相繞組是否對(duì)稱等。試驗(yàn)取得轉(zhuǎn)子的三個(gè)線電壓，首先計(jì)算所測(cè)轉(zhuǎn)子的三個(gè)線電壓的不平衡度。當(dāng)定子三相電壓平衡時(shí)，該值應(yīng)不超過(guò)±3%（非國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參考使用）。當(dāng)所測(cè)轉(zhuǎn)子三個(gè)線電壓不平衡度符合要求時(shí)，用轉(zhuǎn)子三個(gè)線電壓的平均值計(jì)算電壓比。電壓比的參考標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法取得生產(chǎn)單位內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一般是直接實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)子電壓與其額定值相差的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，百分?jǐn)?shù)應(yīng)在±5%以內(nèi)（非國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參考使用）。以本案為例：定子：6 600V，轉(zhuǎn)子：2 144V，計(jì)算銘牌上的電壓比：

試驗(yàn)時(shí)，從定子加380V，測(cè)出轉(zhuǎn)子開路電壓為115.2V，電壓比：

電壓比考核標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值為：

說(shuō)明轉(zhuǎn)子繞組存在問(wèn)題。試驗(yàn)時(shí)定子三相電壓和三相空載電流都平衡，而測(cè)出的轉(zhuǎn)子電壓不平衡，且超過(guò)±3%，說(shuō)明轉(zhuǎn)子三相繞組不對(duì)稱。

（3）定期檢查定轉(zhuǎn)子端部。結(jié)合季節(jié)、天氣、濕度等因素制訂檢查計(jì)劃，打開電機(jī)非軸伸端軸承端蓋，目視仔細(xì)檢查定轉(zhuǎn)子端部、并頭套、導(dǎo)電排、引出線電纜等部位的絕緣漆有無(wú)變色，無(wú)緯帶有無(wú)松動(dòng)、鐵質(zhì)固定夾具有無(wú)銹蝕斷裂等。密封結(jié)構(gòu)的大型電機(jī)不建議頻繁打開檢查，容易造成端蓋密封損壞、異物進(jìn)入電機(jī)箱體內(nèi)部等問(wèn)題。

4 電機(jī)DCS程序保護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 大型電機(jī)起停一般要求

大型電機(jī)起動(dòng)次數(shù)一般要求是當(dāng)電機(jī)為冷態(tài)時(shí)，可以連續(xù)起動(dòng)兩次，相隔4h后才能再連續(xù)起動(dòng)兩次。當(dāng)電機(jī)為熱態(tài)時(shí)，連續(xù)起動(dòng)一次，相隔4h以后，才能再連續(xù)起動(dòng)一次。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，特別是水泥銷售的旺季，這樣的要求有點(diǎn)不太現(xiàn)實(shí)。如果其他設(shè)備或者磨機(jī)本身的一些因素造成磨主電機(jī)頻繁的跳停，而又沒(méi)有考慮到電機(jī)啟停次數(shù)和時(shí)間間隔的話，那么勢(shì)必會(huì)影響電機(jī)的絕緣和使用壽命，特別是像轉(zhuǎn)子并頭套、繞組端部等機(jī)械電氣性能相對(duì)薄弱部位，因此有必要在控制系統(tǒng)中的電機(jī)模塊上設(shè)計(jì)出一套結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和起停次數(shù)精細(xì)化管理的程序模塊。用這樣的一種電機(jī)控制模塊，來(lái)精確管理電機(jī)啟停各次的時(shí)間間隔和次數(shù)。

4.2 設(shè)計(jì)原理

中壓繞線式電機(jī)的起停、聯(lián)鎖、報(bào)警等控制采用的是中材國(guó)際（南京）自主開發(fā)的中壓繞線式電機(jī)FC201模塊，其中帶有液體變阻器起動(dòng)短接聯(lián)鎖功能。在此功能模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行再次開發(fā)，將起動(dòng)次數(shù)、起停間隔、循環(huán)周期等時(shí)序邏輯加入其中，形成電機(jī)的起停聯(lián)鎖控制、起停次數(shù)和周期間隔管理為一體的功能塊。

典型的時(shí)序邏輯是在任何一個(gè)時(shí)刻的輸出狀態(tài)由當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)和原來(lái)的邏輯狀態(tài)共同決定,而它的狀態(tài)主要是由存儲(chǔ)的邏輯來(lái)記憶和表示的。整個(gè)時(shí)間管理分三個(gè)時(shí)間段：第一次跳停間隔時(shí)間T1，第二次跳停間隔時(shí)間T2，第三次跳停間隔時(shí)間T3，以及電機(jī)持續(xù)運(yùn)行周期時(shí)間T0和正常停機(jī)計(jì)時(shí)時(shí)間T4。主要的邏輯關(guān)系是：電機(jī)在冷態(tài)時(shí)，可以允許起動(dòng)，中控操作員從面板發(fā)出（帶確認(rèn)功能，防止誤操作）驅(qū)動(dòng)命令，中壓開關(guān)柜收到合閘脈沖后有兩種情況，一是合閘并返回運(yùn)行信號(hào)（定義為True），另一種情況是合閘但沒(méi)有返回運(yùn)行信號(hào)，此時(shí)，F(xiàn)C201電機(jī)模塊會(huì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)邏輯聯(lián)鎖發(fā)出分閘命令，但是電機(jī)實(shí)際上已經(jīng)上電和失電，這個(gè)過(guò)程電機(jī)承受了合/分閘操作過(guò)電壓、啟動(dòng)尖峰電流等高幅值、高陡度電壓和大電流的沖擊（定義為*False），對(duì)電機(jī)的危害性極大，所以也應(yīng)計(jì)入起動(dòng)次數(shù)（這種情況在電機(jī)冷/熱態(tài)時(shí)均可能發(fā)生）。電機(jī)起動(dòng)后液體變阻器短接運(yùn)行，運(yùn)行周期計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)（該計(jì)時(shí)器是自復(fù)位循環(huán)計(jì)數(shù)器，只要電機(jī)持續(xù)運(yùn)行，計(jì)數(shù)器按設(shè)定時(shí)間T0自復(fù)位循環(huán)計(jì)時(shí)），同時(shí)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行信號(hào)狀態(tài)，電機(jī)正常停機(jī)和非正常停機(jī)（聯(lián)鎖跳停）都復(fù)位運(yùn)行周期計(jì)時(shí)器。操作員從面板上發(fā)出正常停機(jī)命令，停機(jī)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到T0和停機(jī)持續(xù)時(shí)間達(dá)到T4都復(fù)位計(jì)數(shù)器，使其從頭開始計(jì)數(shù)。電機(jī)停機(jī)檢測(cè)分為：正常停機(jī)（操作員發(fā)出停機(jī)命令）和聯(lián)鎖跳停，這兩種停止和驅(qū)動(dòng)后無(wú)反饋都計(jì)入計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器根據(jù)檢測(cè)到的次數(shù)，進(jìn)入起動(dòng)次數(shù)子流程。進(jìn)入次數(shù)子流程完成時(shí)間等待后，發(fā)出允許信號(hào)，可進(jìn)行下一次起動(dòng)，并判斷是否進(jìn)行計(jì)數(shù)器復(fù)位，整個(gè)主流程見圖5。

圖5 主流程

次數(shù)子流程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，根據(jù)計(jì)數(shù)器中的次數(shù)分別進(jìn)入下一級(jí)次數(shù)子流程進(jìn)行流轉(zhuǎn)。根據(jù)次數(shù)和下一級(jí)子流程中的時(shí)間設(shè)定完成相應(yīng)等待后，發(fā)出允許起動(dòng)信號(hào)及是否要復(fù)位計(jì)數(shù)器，見圖6。

下一級(jí)次數(shù)子流程中，要根據(jù)停機(jī)檢測(cè)的兩種情況和驅(qū)動(dòng)后無(wú)反饋進(jìn)行區(qū)分和顯示，并保存狀態(tài)。值得一提就是中壓開關(guān)柜有時(shí)候驅(qū)動(dòng)后無(wú)反饋，進(jìn)而轉(zhuǎn)入試驗(yàn)位置進(jìn)行測(cè)試排查故障原因，此時(shí)就顯出區(qū)分的優(yōu)勢(shì)來(lái)，可以明確表示出驅(qū)動(dòng)后是否有反饋還是運(yùn)行信號(hào)的丟失原因。這些狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的次數(shù)放在一起進(jìn)行顯示，方便排查哪次是由無(wú)反饋引起的，哪次是由正常停機(jī)或聯(lián)鎖跳停引起的，見圖7。

圖6 次數(shù)子流程

圖7 下一級(jí)次數(shù)子流程

下一級(jí)次數(shù)子流程中時(shí)間計(jì)時(shí)器的設(shè)定值可以由生產(chǎn)部門和維修部門根據(jù)電機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)、形式以及廠家提供的使用說(shuō)明書，綜合實(shí)際生產(chǎn)和維護(hù)的需要進(jìn)行決定，本例中的大型電機(jī)是帶空—水冷卻器封閉式電機(jī)，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，同軸上的散熱風(fēng)扇也是停止的，不能把轉(zhuǎn)子中的熱量帶入冷卻器中，因此T0和T4的時(shí)間要適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)。當(dāng)外部故障且中壓開關(guān)柜在試驗(yàn)位置時(shí)可以臨時(shí)把間隔時(shí)間T1、T2、T3設(shè)置為0，等故障排除了，再恢復(fù)設(shè)定，以利于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)原因，快速解決問(wèn)題，恢復(fù)生產(chǎn)。表1給出此現(xiàn)場(chǎng)的典型值。

表1 計(jì)時(shí)器的設(shè)定值

5 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)中定期對(duì)大型高壓繞線式異步電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效的檢查和測(cè)試，是確保電機(jī)絕緣系統(tǒng)完整性的最佳方法，也才能掌握大型電機(jī)的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除隱患。在DCS系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一套大型電機(jī)時(shí)間保護(hù)程序，從而解決了跳停后再次起動(dòng)電機(jī)時(shí)間的隨意性又兼顧大型電機(jī)熱/冷態(tài)時(shí)的起停間隔和次數(shù)要求，達(dá)到結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要合理優(yōu)化電機(jī)起停時(shí)間和次數(shù)的效果，從而保證此類電機(jī)的操作可靠性和正常的使用壽命。