6 kV鼠笼异步电机故障分析及改进措施

王敏刚

（神华黄骅港务公司 河北沧州）

一、故障现象

神华黄骅港务公司现场地面皮带机系统由驱动电机（6 kV鼠笼异步电机）、液力耦合器、联轴器、制动器、减速箱、驱动滚筒和若干改向滚筒组成。调度室人员通过按钮先启动6 kV鼠笼异步电机，随后电机带动液力耦合器转动，1～2 s后耦合器转动起来通过制动盘传动减速箱转动，减速箱输出端通过联轴器与驱动滚筒相连转动。整个启动过程约20 s，由于电机是直接启动，虽然中间液力耦合器起到一定缓冲效果，但是启动电流依然很大，尤其是皮带上压着煤时，启动电流更大（一般为正常值的6～8倍）。

近年6 kV鼠笼异步电机相继发生接地故障或在运转过程中存在周期性异响现象，严重影响现场设备正常运行，公司维修人员先后更换几台异常高压驱动电机。专业维修厂家拆除更换下的高压电机，发现电机鼠笼均断条，造成扫膛，定子绕组绝缘破坏严重，致使电机不能正常运转。电机经厂家维修处理恢复正常投入生产，使用1年后电机启动时存在高频噪声并伴随电流不稳现象，不能正常运转，随后更换新备件。再次返厂拆除，发现还是电机鼠笼断条引起扫膛，导致不能正常工作，严重影响公司安全生产和设备生产效率。

二、故障分析

一般电机扫膛常见原因有：①电机轴承损坏，晃量过大；②电机转子轴变弯；③定、转子铁心偏心、椭圆或局部变形凸出；④电机与减速机连接不同轴；⑤电机有电磁振动、负载突变造成气隙不均；⑥转子刚度不够，在磁拉力作用下造成气隙不均；⑦鼠笼断条。

公司技术人员到电机修理厂现场观察发现，损坏电机故障现象分为：①鼠笼断条或松动造成的扫膛，各电机断条数量不一，最多达到4根，并都伴随电灼损坏；②转子笼条松动，形成高频噪声，同时转子中间的填充银钎焊料部分松动脱落形成轻微扫膛和电灼损坏。由此看出6 kV鼠笼异步电机故障主要为鼠笼断条或松动，下面主要分析电机鼠笼断条原因。

1.端环焊接处质量问题

鼠笼型异步电机包括端环、转子铁芯和多个笼条，笼条沿着端环周向均匀分布，笼条镶嵌于转子铁芯之间，每根笼条的两端焊接在端环上。直接启动的交流电机因启动电流大（通常为5～7倍额定电流），在很短启动过程中，鼠笼笼条将承受很高热应力，经过连续3次启动（冷态下），笼条即发红（温度在700℃以上）。鼠笼铜条断裂多发生在启动后或堵转时，断点一般在槽口处和端环焊接处。这是因为电机在启动过程中，特别是频繁启停和重载启动时，启动电流使转子铜耗大大增加，鼠笼产生高温，笼条与端环受热不均匀，从而形成较大的热应力。同时笼条受高温变形变软，机械强度下降，在热应力、电磁力及离心力的反复作用下，首先使应力比较集中的槽口处和端环焊接处疲劳而断裂，少数焊接薄弱处则因接触电阻过大而呈现局部高温拉弧将铜条烧断和开焊。从损坏电机鼠笼情况看，笼条从端环处断开的有4处，其中一处由于从端环处断开造成中部断裂，分析原因是：①端环处应力集中；②端环处焊接不牢固；③端环处电阻大，发热大，有过热痕迹，可能造成焊料软化而开焊。

2.电机频繁重载启动

根据电机一般启动要求，电机在冷态情况下，连续两次启动后如需再次启动，则要间隔4 h；如果电机在运行中停机，只允许启动一次，如需再次启动，需间隔4 h。根据公司实际情况，皮带机在运行中故障停机后，一般间隔5 min即再次重载启动，由于是重载，启动时间长、电流大，对电机损害非常大，再加上有时重载启动失败，甚至出现连续3次的重载启动，这就给电机损坏造成了不可估量影响。

3.单驱电机负载过重

（1）损坏电机均为单电机驱动，相对于其他电机负载重（其他双驱、3个电机驱动或4驱的驱动型式未发生此故障）。虽然在正常运行情况下，单驱动电机的额定功率满足要求，但是重载停机后重启动时，电机严重过载，因此该驱动型式电机最易损坏。

（2）其中1个损坏电机对应的皮带机虽然较短，但运行最为频繁，通过量最大，重载启动的频率也最高，后来也发生此故障。

（3）公司有1个皮带机系统皮带最短，负载较小，启动电流也小，虽为单电机驱动，但至今未发现异常。

4.修复后的电机与原装进口电机质量差异

修复后的电机再次出现笼条松动的原因可能是电机维修时，更换了定子绕组和转子笼条（电机最关键部件是定子绕组、转子笼条和铁芯），由于使用的绝缘材料必须加厚（国内绝缘材料较差，采用增加厚度的办法来保证绝缘），必须使用比原设计截面积略小的铜线，才能将绕组镶嵌在铁芯内。另一方面装配工艺和所用铜线质量限制，牺牲了电机部分功率。由于电机修复后又装回原来使用部位，因此，电机过载更加严重，1年半后又出现故障。

三、电机修理厂维修方案

（1）两个电机定子清复保养。清洗、烘干，检查绕组热态绝缘电阻，做匝间试验。定子绕组VPI真空压力浸漆，烘焙固化。定子绕组表面喷8037#绝缘覆盖漆。

（2）对于笼条断裂故障的电机，转子大修。更换全部笼条，两端导电环（端环）更换，适当加大导电环截面，在导电环上开槽，将笼条插入导电环内焊接，可以加强机械强度，增加接触面积，减少接触电阻。施焊前要彻底清除焊接部位的氧化皮及油垢，不能只用汽油擦拭或焊炬烘烤，要用30%硫酸溶液清洗，再用10%烧碱溶液中和，最后用清水冲洗干净。焊接时，转子竖立放置，导电环面向上，在导电环与铁心之间填塞石棉，防止铁心过热。首先用数把焊炬以中性火焰同时均匀加热导电环，当温度达到400℃左右时，改用1把焊炬集中加热焊接部位，待温度达到约800℃（呈红色）时，将银钎焊料触及接头处，钎料便熔化并逐渐填满间隙。应采取分段交叉焊接法，以减小焊接后的残余应力。焊完一面后，再焊另一面。最后清理焊点，检查焊接质量。

（3）处理笼条松动的电机。将笼条墩冲涨紧，转子铁心局部修理。采用氩弧焊补焊后，修车铁芯外圆。

（4）转子动平衡试验。

（5）更换转子两端进口轴承。

（6）全部零部件清洗检查，内表面做防锈处理。

（7）电机总装调试，并提供试验报告。

（8）电机外表清理后，重新油漆。

四、改进措施

结合公司生产现场特殊情况、设备现状以及旧的电机维修工艺，对上述维修方案进行改进，主要措施如下。

1.避免重载停机

①加强对设备各保护开关及保护装置的检查和维护，避免因保护开关损坏或保护装置制作不合理，造成向控制系统传导误信号，导致设备重载停机；②加强现场操作和维修人员管理，防止误碰拉伸开关等造成的重载停机；③严格按照生产作业要求，限制皮带流量，严禁出现皮带压停等情况。

2.限制重载启动次数和时间

①由于生产限制，发生重载停机后，不可能等待很长时间再启动，为兼顾生产和设备，规定重载启动的时间间隔＞15 min；②重载停机后，需判断重载启动是否能够一次成功，否则需清理或放掉皮带上的煤，然后启动；③严禁连续多次重载启动。

3.增加皮带机驱动电机功率

增加1个驱动电机，将原单驱型式改为双驱型式。改进后电机启动功率明显降低，未再发生过载现象，消除了故障隐患。

4.早期发现断条故障

若能早期发现断条故障，则维修费用将大大节省。如果扫膛严重造成定子损坏，则维修成本将是单独维修转子的3倍，并且由于维修工艺、使用材料等原因，将造成电机功率下降。对于正常运行电机，有以下两种方案。

（1）定期维护保养。最好10年左右全部拆修电机，能够发现早期故障，即使未出现故障，最好也对电机进行清洗、烘干，检查绕组热态绝缘电阻，做匝间试验，定子绕组VPI真空压力浸漆，烘焙固化等。每台电机的费用大概2.5万元，目前公司高压电机共有21台，大约需要52.5万元。该方案花费较大。

（2）定期用电机故障测试仪检测。定子电流频谱分析是诊断和监测交流异步电机故障的有效方法，它可以诊断交流电机笼型绕组的断条、静态气隙偏心、动态气隙偏心和机械不平衡等故障。建议公司定期使用电机故障测试仪（根据工况决定周期）检测全部电机，发现异常即拆修。该方案费用低，但有可能不能及时发现轻微断条而造成故障扩大。

5.改进笼条结构

若笼条已经损坏需要更换，建议维修厂家改进笼条结构。原电机笼条与端环之间采用平接（图1）。此结构端环与笼条之间接触面积和强度小、电阻大，并且笼条的受力全部由焊料承担，过热时焊料强度降低从而开焊。为解决上述技术问题，提出以下改进维修工艺。

（1）首先在电机端环上均匀开槽，使得电机每个笼条两侧端部均能插入电机端环上的槽内，并且每个笼条与新开的槽通过焊接固定连接。这样每个笼条焊接在端环新开的槽内后，使得笼条的受力由笼条与端环直接承担而不是由脆弱的焊料承担。因此，即使出现开焊，由于笼条镶嵌在端环内，也不容易发生扫膛情况。

（2）笼条焊接在端环槽内，可增加笼条与端环的焊接面积，从而增加焊接强度。为此将笼条端面加工成锯齿结构，进一步增加笼条与端环的焊接面积。由于笼条端面形成了锯齿结构，增大了与端环相对的表面积，并允许更换的焊接材料焊接在笼条与端环之间，因而能进一步加大笼条与端环的连接强度。而且还能够减少接触电阻，减少了笼条与端环焊接处的发热，避免了焊接处因过热开焊和热应力集中。

另外，实际操作时，可将笼条端部插入槽内后，在笼条端部与槽之间填充焊接材料，然后对焊接材料进行加热，使其熔化并与笼条的端部和槽热结合，以在凝固后牢固连接笼条和槽。

为弥补端环因开设槽而导致强度下降问题，可增大电机端环厚度，增大的厚度与槽的深度一致。槽的深度可以是端环厚度的5%～10%，从而在保证笼条和端环连接强度的同时避免使端环的厚度增大过多，成本增加。改进后笼条结构见图2。

此次改进解决了设备重大安全隐患，这类电机故障未再发生，维修费用明显降低，提高了设备生产效率。按照更换1个电机约8 h、需机修工和电工10人计算，产生效益约10万元。改进后的设备运行稳定无任何故障，达到并超过了预期，在港口生产中起到了关键作用。

图1 改进前笼条结构