电动机转子笼条断裂的原因分析及预防措施

电动机转子笼条断裂的原因分析及预防措施Analyse and Prevent about B reakdow n of E lectric Mober R otor C age

廖松涛

L IAO Song2tao

(江西新余发电有限责任公司,江西　新余　338002)

摘要:分析了新电公司200MW汽轮发电机组多年来高压异步电动机转子鼠笼断条原因,提出了一些预防措施。

关键词:电动机;转子;断条;预防措施

中图分类号:TM343.307.1　文献标识码:B　文章编号:1671-8380(2004)04-0022-02

1　引言

厂用电动机是火力发电厂重要的厂用电气设备之一。江西新余发电有限责任公司(以下简称新电公司)两台200MW火力发电机组自1995年、1996年相继投产以来,其厂用高、低压电动机先后发生各种故障100多台次,造成了较大的经济损失,其中一个主要的故障原因就是电动机鼠笼转子断条。本文主要分析高压异步感应电动机转子鼠笼断条故障发生的原因,进而提出了一些相应的预防措施。

2　鼠笼断条的基本特征

①鼠笼型电机断条多发生在具有频繁,重载启动的鼠笼型电机单、双鼠笼型电机。双鼠笼电机外笼条断条最多,约占断条电机的95%以上,内笼和端环断裂的不到5%。

②圆形笼条断条的几率大大高于矩形笼条断条的几率,约占断条总数的80%。

③外笼条断裂时有明显的位移现象。这说明笼条在槽内松动。断条上有明显被槽壁突出的硅钢片磨损的沟槽,在伸出铁芯端笼条有明显的向上变形现象,短路环也有扭曲变形现象。

④笼条断口多发生在与端环的焊口里侧部位,槽内断条的很少,笼条开焊多发生在笼条与端环的焊接部位。开焊后笼条在离心力作用下向外侧甩出刮伤定子造成定子线圈短路。笼条槽内断口处有明显电弧烧伤痕迹,断口两断面吻合严密,呈脆性疲劳断列性质。

⑤断条槽的铁芯多有局部过热变色烧损现象,开焊处的端环孔周围也有过热变色及电弧烧伤痕迹。

3　转子断条原因分析

电动机转子频繁发生断条,均是转子受各种应力作用的结果,而且应力超过了笼条所能承受的极限,或是交变应力的长期作用使笼条产生疲劳。主要有以下几方面的原因。

3.1　制造工艺产生的应力和启动时交变应力

由于焊接质量不一致,引起笼条热膨胀有差异,造成笼条之间产生的较大温差。笼条上下的不均匀温升会使笼条产生向转子中心弯曲的应力,端环中强大的启动电流使之发热产生径向位移,造成笼条产生背离转子中心的弯曲应力。笼条铁芯冲孔工艺会使笼条嵌装的松紧程度不一致。当电流的相位不同,传递给端环的振动力会使端环产生扭曲,受力最大的部位仍是笼条的焊接处,而此处恰恰是鼠笼结构最薄弱点。由于热传导性能差异会使各笼条间产生不均匀的温升,因而各笼条之间将产生不同的轴向位移而使笼条产生轴向的拉应力。且使笼条产生电磁振动应力,特别是在电动机刚启动的瞬间,振动幅值达到最大值,是正常运行时50～60倍;频率为100Hz,随着转速的升高和启动电流的增加而增大。由于各应力作用点大都集中于笼条与端环的焊口附近,且每启动一次便交变一次,这样各应力的破坏作用随启动的次数的增加和温升积累而增大。

3.2　负载变化使鼠笼条产生切向交变应力

由于笼条在槽内有一定的间隙,转子铁芯和与

收稿日期:2004-03-13;修订日期:2004-07-19

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它保持一定距离的端环共同构成一个扭振系统,运行中由于负载发生变化,电动机转动力矩也就是变化的。这样使笼条与端环的连接部位受到很大的切向弯曲应力,尤其当原动机的转动力矩摆动在共振区附近时,其应力会更大。

3.3　设计错误使笼条伸出铁心过长

部分国内电机制造厂设计错误,大部分电机笼条伸出铁心过长,达40～70mm以上,在各种应力尤其是扭振力矩的作用下,会使整个外笼条在铁心伸出端部产生扭曲变形,并引起笼条断裂。这可能是受国内工艺限制,在冲转子铁心夕钢片时圆形和矩形冲模比较好加工,而梯形和异型冲模较难生产,工艺复杂。这种设计在国内电机上非常普遍,设计者设计端环基本上采用圆形和矩形结构。圆形和矩形笼条与端环之间是平面连接。然后在笼条与端环内侧焊接。同时在端环尺寸设计上也偏小,强度差,启动时由于端环电流密度大造成温度过高使端环本来就不高的机械强度下降得更多而发生变形,进而发生断条故障,可见启动频繁并不是笼条断裂的主要必然性原因,关键还是笼条的设计上是否采用先进技术和先进的冲片及焊接工艺方法。

3.4　制造和焊接工艺差

部分国产鼠笼电机的笼条与端环之间的焊接质量是不够理想的,焊缝夹渣,高低不平,焊接时控制温度不符合标准,使焊口附近的材料因过热而变形,并产生热应力,机械强度低。

3.5　误操作连续二次以上启动

鼠笼型异步电机在冷态下启动一次,笼条和端环的温度达到200～300℃,若第一次启动不成功,应相隔2h后才能进行第二次启动。若运行操作人员不注意在短时间内连续第二次甚至第三次启动,笼条和端环的温度就会上升到不能允许的温度,机械强度也会降低得更严重,而启动过程中鼠笼条和端环所承受的各种应力累加已达到最大值,在这种情况下不要说有缺陷的转子,就是质量好的转子也会损坏,尤其当转子处于堵转情况下其转子笼条和端环连接处温度可达700℃以上,造成焊接处开焊和断条。

3.6　断条后检查不及时和检修质量差

鼠笼型电机断条后很难查出,断条很少时对电机的正常运行影响很小,没有明显特征而难以发现,只有很有经验的人员才能从电机轻微断条异常声音判别出来,但是一旦发现时已经冒火、振动、噪声增大、转速下降等异常时,断条已经严重。笼条断条后,断条中仍有电流经两侧铁心注入相邻的笼条中,这既增加了相邻笼条的负担,加速相邻笼条的断裂,又会烧坏转子铁心,断条在离心力作用下甩出槽口刮伤定子造成定子接地短路,许多电机就是这样烧坏的。修理电机断条故障时,对修理工艺质量不重视,尤其是焊接工艺,仍然采用氧焊,焊接温度高,使焊口附近的材质因高温而脆化,机械强度下降,同时焊接既不预热,焊接完毕后又不保温,热应力无法消除而使笼条与端环产生应力变形和集中于焊接处,另外重复修理电机将使转子槽也增大,而新换原笼条又是原来尺寸,故检修后笼条在槽中的气隙增大而松动,致使电场仍然带着缺陷又投入运行,修后的电机质量不如原电机。

4　防止鼠笼型电机笼条断条和开焊的措施

①对笼条伸出较长的电机在两端伸长部位补焊一短铜条,一端焊在端环上,一端顶在铁心,将短铜条与原笼条平面焊接在一起,这样防止笼条在运行中窜动,同时一旦笼条与端环连接处开焊,也会由于短铜棒与原笼条焊接在一起而不会由于离心力甩出刮伤定子线棒造成相对地短路烧毁定子的事故。

②改造端环与笼条连接方式。在端环平面上开一矩形孔将笼条加长伸进端环外侧,采用两端都焊接的工艺。这样可以延长转子使用时间。对笼条伸出过长的电机转子在笼条外侧和端环内侧加焊一根30mm×4mm紫铜板三面焊接,形成一条加强带,既增加了端环的几何尺寸,又缩短了距铁心的距离。

③对在笼条伸长部位用无纬环氧玻璃绳绑扎技术的评价。在前几年我厂鼠笼电机开始发生断条时,就采用了在笼条伸长部位用无纬环氧玻璃绳交叉绑实,然后涂刷环氧树脂固定的技术,运行一段时间后又发生断条现象,解体检查发现无纬环氧玻璃绳与笼条的结合面被高温烤焦松动,断条后无纬玻璃绳仍旧挡不住因离心力甩出的断条从而刮伤定子线棒,主要原因还是笼条在启动时温度高于200～300℃,而环氧无纬玻璃绳最怕高温,热积累逐步将无纬环氧玻璃与笼条的结合部焦碳化并进而松动失去坚固力。所以除非采用耐高温的固化剂,否则只能将断条的时间间隔稍为延长一点,而不能杜绝断条和断条后笼条因离心力甩出刮伤定子线棒的事故现象发生。

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