电机绕组故障、修理的原理探讨

电机绕组故障、修理的原理探讨

段勇伟 ,杨卫东 ,剌晓伟 ,韩富康

中车永济电机有限公司  山西永济  044502

摘要：表现为定子接地、转子接地或其他剧烈振动的电机故障是由某种突发事件引起的，而与故障前的绝缘状态关系不大，所以没有办法对它们的发生做出预测，这类事件包括：①制造或修理过程中发生的定子绕组接线错误，导致产生极大的环流；②制造或修理后电机内部存在松动的金属元部件，从而在运行中磨穿定子的绝缘结构；③运行误操作，如同步电动机或发电机的非同期并网、冷却系统误停等等。此类故障通常发生在新机投运或修后再投入运行后不久，尽管如此，大多数电机绕组故障并非由突发事件引起，相比之下，大多数电机的绕组故障是绝缘结构逐渐劣化引起的，即绝缘结构的电气或机械强度不再能承受正常运行情况下的应力水平，或不能承受正常操作过程中的电气和（或）机械的暂态变化，这是由于绝缘结构以有机材料为主，其热特性和机械特性远差于铜、铝或钢材料所致。

关键词：电机；绝缘结构；绕组故障；老化；修理

1. 绕组的故障过程

绝缘结构的故障过程，或使用专业术语称为劣化过程、老化过程，通常是十分缓慢的，大多数的工业通用电动机和发电机的设计寿命达到10-40年而无须重绕绝缘结构，因此，故障过程至少会经历与此相当的时间。

预测由绝缘结构老化所引起的故障什么时候发生是不可能的，这是由于故障发生需要两个独立的前提条件。第一个条件是由老化所造成的绝缘结构电气或机械强度的下降，然而，在对其进行长期的跟踪后发现，通常用于定子绕组和转子绕组的绝缘结构即使已经严重劣化，仍有继续运行的能力；第二个条件是机械或电气的瞬间冲击，这些瞬时冲击包括：

（1）电力系统遭受雷击，会引起陡上升沿的“尖峰”过电压，导致弱化的定子绕组或对地绝缘被击穿；

（2）电源系统发生单相接地故障，会引起大约两倍额定电压的过电压，导致老化的定子绝缘结构被击穿，并由感应电压造成转子绝缘击穿；

（3）检修中的高电压试验，定子绝缘结构会承受高于正常运行电压的试验电压；

（4）电源（或电网）故障引起流经定子的突发性冲击电流（以及转子中感应产生的电流）会在绕组上产生超过正常水平的机械应力，机械应力的突然增加会使老化的绝缘结构发生断裂，特别是在线圈端部，导致电流冲击的一种情况是电动机或发电机在出线位置发生相间短路；

（5）电动机起步（指异步电机）或非周期（仅指同步电机），会使定子绕组及转子中流过很大的电流，该电流会在定子及异步电机转子中产生很大的机械力，以致绝缘或导体发生断裂；

（6）运行人员的误操作，例如人为关闭或未打开电机的冷却水系统，或通风回路堵塞，都将导致绝缘过热熔化，尤其是那些已经老化的绝缘结构。

在此需重要说明的是，新绕组由于具有足够的电气和机械强度往往能够经受住以上所列的突发工况，制造商对新绕组的设计要求是能够承受住所有可能的电压暂态过程和大部分可能的电流暂态过程，但是，随着绝缘结构的老化其承受暂态冲击的能力也随之下降。最终，当绝缘结构劣化到一定程度，那些以往能够经受的暂态冲击现在则会引起电机故障，因此，电机发生故障的时间不但取决于绕组的状态，也取决于何时发生暂态冲击。

2. 电机各部件的相对故障率

电机（包括电动机和发电机）的主要部件是定子绕组、转子绕组及支撑转子的轴承，迄今为止，最全面的调查各部件最容易引发故障的是美国（EPRI）于20世纪80年代资助的针对大型异步电动机的研究，该研究调查了7500台电动机，并着眼于鉴别引发故障的根本原因，如下表1所示。

表1 电动机各部件发生故障的比例

从上表中可以看出，37%的电机故障归因于定子绕组问题，还有10%来自于异步电动机的转子故障，可知，绕组是引发电动机故障的一个主要部件。应注意，占比很大的轴承类故障常常发生在电动机首次起动后，这很可能是由于平衡、偏心或是所拖动负载上的问题造成的，但电机一旦平稳运行并经历过一些运行操作后，这类故障在表1中的占比就显得比较合理。

3. 影响故障机理的决定因素

由于存在很多故障机理，经过长期的、对大量样本的分析，我们认为决定故障发生的因素主要有以下4个：

（1）绕组的设计；

（2）绕组的制造质量；

（3）电机的运行环境；

（4）历史维修情况。

上述前两者主要是电动机和发电机制造商的范畴，后两者是电机使用者的范畴。制造厂商在设计并制造电机前，会从产品的成本投入和收益获取之间进行权衡，制造厂商在成本取舍的决断中，需对电机的设计、制造负责；工厂车间的设计者和（或）使用者决定了一台电动机或发电机的运行环境，其运行环境取决于应用要求和物理环境，任一环境因素非常恶劣，就很可能会有一个或多个故障机理发展较为明显；在历史维修情况方面，如果不采取及时的维修措施，如定期清理、打紧槽楔、局部绝缘浸渍和烘烤等，那么一些故障机理很可能就会随之产生。

4. 影响维修决定的因素和维修方案

对任何特定的故障过程，都有多种可能的维修方法，每种维修方法都与以下因素相关：

（1）材料和人工成本；

（2）工期（设定设备停机至再投运时间）；

（3）该维修方法的能力（能完全恢复绕组或者仅仅是延缓缺陷发展速度）；

（4）该维修方法达到预期效果的可能性（例如能够逆转、停止还是延缓故障发生机理）；

用户选择何种维修方案，取决于由以下因素构成的复杂的经济和工程评估：

（1）电机对工厂的重要程度，如果电机故障会造成很大的成本影响，就应采取费用更多、同时更有效的维修方式；

（2）是否有可用的备用电机或备用主要部件，如转子、定子等，如果有可用的备品，且电动机或发电机的临时停运可以接受，那么不检修（即故障时马上更换）或廉价维修（效果较差）的维修方案可能是最好的选择；

（3）电机的成本，与定子绕组清理、局部浸渍和烘烤费用相比，许多小型电动机（如小于50KW）可能本身价格很便宜，直接更换电机更经济有效；

（4）对工厂生产至关重要的大型电机，应进行详尽的成本和效益分析，以决定最佳的维修方案；

除了通过维修手段逆转或延缓劣化过程外，有一些替代方案能够使定子在运行中发生故障后快速恢复投运，它们包括：局部损伤的临时修理、切除线圈和更换线棒或线圈或使用半线圈拼接等。

参考文献：

中国电器工业协会 牵引电机绝缘系统多因子耐久性评定方法:T/CEEIA343—2018[S]. 北京:科学技术文献出版社,2019.

吴广宁,周凯,高波 变频电机绝缘老化机理及表征[M]. 北京: 科学出版社,2009.

格雷格C.斯通（加），伊恩·卡帕特（加） 旋转电机的绝缘设计、评估、老化、试验、修理（第二版），2016