炼化企业异步电动机轴电流的产生及其防范措施

摘 要：通过对两起电动机轴承电腐蚀根源的分析，采取相对应的防范措施，从而减少轴电流对轴承的损伤，提升电动机维护质量，降低电动机故障率，延长电动机使用寿命。

关键词：轴电压;轴电流;轴承电腐蚀;逆变供电

0    引言

某污水处理厂2009年新建两套甲乙酮装置，开工一个月后进料泵P2101A电动机运行声音异常，检修更换轴承。一个月后又出现异常声音，检修更换轴承。再经过一个月后，再次出现声音异常，更换绝缘轴承。之后，截至2021年1月27日，共计检修更换绝缘轴承4次，每三年计划检修一次（电机参数：YBP355L2-2WG，315 kW，380 V，2008年10月;运行方式：变频运行）。

2019年12月26日，该污水处理厂生活污水5#泵电动机运行声音异常，查看检修记录后得知已到检修周期，检修更换轴承。2020年1月7日，该电动机运行声音异常，经状态监测发现轴承故障;2020年1月8日进行解体检修，分析原因，更换轴承，轴伸端加装碳刷。2020年1月23日检修完毕，投入运行。截至2021年2月23日，该电动机修后运行396天，运行状态良好（电机参数：YB2-315L1-4，160 kW，380 V，2006年7月;运行方式：2006—2019年10月为工频运行，2019年11月之后为变频运行）。

1    轴承电腐蚀故障类型的判定

故障轴承症状如图1所示，与昂特（北京）科技有限公司轴承故障症状图库进行比较，发现该轴承故障症状与电腐蚀症状（图2）相同，可以断定轴承症状为电腐蚀[1]。

将图1与《电机轴承产生电蚀损伤的机理》中振动和微剥落引起的内圈波纹槽图（图3）进行比较，可以进一步将症状细化为电腐蚀引起的振动和微剥落造成轴承内圈波纹槽[2]。

2    故障根源分析

2.1    理论依据

2.1.1    轴电压的产生

轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压，其产生原因一般有以下几种：

（1）磁不平衡产生轴电压。电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，因而在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，会在軸的两端感应出轴电压。

（2）逆变供电产生轴电压。电动机采用逆变供电运行时，电源电压含有较高次的谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间会产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。

（3）静电感应产生轴电压。在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端会感应出轴电压。

（4）外部电源的介入产生轴电压。由于运行现场接线比较繁杂，尤其是大电机保护、测量元件接线较多，只要有一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。

2.1.2    轴电流的产生

随着静电荷的逐步积累，轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就会产生轴电流。

2.2    故障根源分析

依据理论结合实际情况进行分析，两案例共同点是发生轴承电腐蚀时均处于变频运行模式，同时两台电机均为非变频电机。变频器逆变后供电电压存在较高次谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生了电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生高频轴电流。同时，非变频电机在制造时对于其定子、转子沿铁芯圆周方向的磁阻均度要求不高，会产生与转轴交链的磁通，从而产生感应电动势。由于交变磁通、静电荷积累以及电机制造中产生的不对称等因素，导致低频轴电流出现。

这些轴电流经过轴承滚动体、滚道、壳体到接地网形成回路，进行释放。轴承滚动体与滚道在运转时，由于润滑脂的存在而处于似接非接的状态，这种状态会导致漏电或电容放电。在漏电和电容放电过程中，对轴承滚动体造成了微剥落，对滚道造成了具有搓衣板外观的内圈波纹槽。不论是滚动体的微剥落还是滚道内圈波纹槽，都直接影响电机的正常运行，进而影响装置生产。

3    轴电流的防范措施

针对轴电流形成的原因，一般来说会在现场采用如下防范措施：

3.1    疏通电流回路

在轴伸端端盖处安装接地碳刷，碳刷面与转轴圆周面接触，碳刷引线与电机壳体连接，使轴电流通过转轴、碳刷、壳体、接地网形成电流回路，释放电流，降低轴电位。该回路对轴承形成旁路，基本避免了对轴承的电腐蚀。

3.2    隔断电流回路

为防止磁不平衡等原因产生轴电流，对轴承座与定子分离的电机可采取在轴承座和轴承支架处加装绝缘隔板的方式，以切断轴电流的回路;对轴承座与定子一体的电机可采取使用绝缘轴承的方式，以切断轴电流的回路。

绝缘轴承就是在外圈外径面或内圈内径面增加陶瓷涂层，或使用陶瓷材料加工滚动体，如图4所示，该涂层是具有50 MΩ或更大阻值的纯绝缘体。绝缘轴承与无涂层的标准轴承具有相同尺寸和公差。依据轴承的尺寸，外圈外径面或内圈内径面增加陶瓷涂层的成本相比用陶瓷材料加工滚动体更经济一些。陶瓷涂层一般为氧化铝，厚度为100 μm左右。

在防爆环境中使用绝缘轴承来隔离轴电流存在一定的问题，在炼化企业大部分装置均处于防爆区域。绝缘轴承仅仅是隔离了电流通过电机轴承的流经途径，当轴电流达到一定数值后还是会通过与其连接的负载设备的轴承进行放电，造成负载设备的损害，也就是说，绝缘轴承在防止轴电流对电机轴承造成损伤的同时，将轴电流的损伤点转移到了负载轴承。当轴电压超过一定数值后，轴电流通过负载轴承进行释放时，由于负载介质的易爆性，可能引发的故障就不仅仅是负载轴承的损伤，很有可能是介质爆炸。因此，使用导电环在电机轴承之前就将轴电压进行释放将是最好的选择。

导电环是一种可以将产生于大型电机及变频电机轴上的轴电压安全引入大地或经旁路引出的安全连续泄放轴电流的新方案。导电环作为一种安全泄放装置，它的作用是将轴电流引流及向大地泄放，从而避免轴电流从轴承处流经，以保证轴承安全，延长整个电机及其主机设备的寿命及安全工作周期[3]。导电环安装时，为保证最佳的保护效果，机壳必须接地。若不能保证接地电阻≤4 Ω，则需要同时在轴伸端和非轴伸端各安装一个导电环。

导电环采用的单根纤维直径7 μm，用紫铜管束缚，形成集束导电刷，如图5所示。

4    结语

经实践得知，对不同故障采取相应的处理措施，能极大地降低电机损耗，减少电机维护工作量，并且有效降低电机故障率，延长电机使用周期，节省设备资金支出，这一点对同行业其他故障维修也有重要的参考意义。

[参考文献]

[1] 昂特（北京）科技有限公司.轴承失效分析[Z]，2018.

[2] 电机轴承产生电蚀损伤的机理[EB/OL].（2020-06-14）[2021-03-21].http：//www.zys.com.cn/news/20200616-

141827802.html.

[3] 吴江天龙电子机械设备有限公司.导电环产品说明书（第5.0.1.3版）[Z]，2020.

收稿日期：2021-03-29

作者简介：马建东（1973—），男，甘肃兰州人，工程师，研究方向：炼化企业电动机维护与检修。