|高压电动机节能改造，导致鼠笼条断裂，改进工艺解决故障
鼠笼式异步电动机是应用最广泛的一种电动机 ， 鼠笼式三相异步电动机鼠笼条断裂故障是这类电动机的一种常见故障 。 华能汕头海门发电有限责任公司的研究人员郭业凯、邹炯斌 ， 在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文 ， 针对某电厂循环泵电动机由于节能改造需求由单速电动机改造为双速电动机 ， 运行一段时间后 ， 多台电动机转子鼠笼条出现断条的现象 ， 对此故障发生原因进行分析 ， 并对电动机转子进行工艺改进 ， 取得一定的效果 。
某电厂百万机组海水冷却循环水系统采用单元制直流供水方式 ， 为凝汽器、闭冷器、真空泵冷却器、脱硫系统等提供冷却水 。 每台机组配三台海水循环水泵（下文简称循泵） ， 两运行一备用 。 为实现机组节能降耗目标 ， 电厂将循泵电动机改造为双速电动机 ， 实现可变速运行 。
改造后 ， 三台循泵电动机可选择两高一低或两低一高的转速组合运行 ， 运行部门根据不同季节时海水水温变化情况及时改变循泵运行转速组合 ， 并在每天负荷峰谷不同时段 ， 灵活启停不同转速电动机来进一步优化能耗 ， 通过合理调控 ， 降低运行电流 ， 提高效率 ， 从而实现节能 。
循泵电动机在实现双速运行几年后 ， 普遍出现电磁噪声增大、振动增大、电流波动等异常现象 ， 检修人员对电动机进行解体检查 ， 发现电动机转子鼠笼条普遍存在断条现象 ， 影响电动机稳定运行 ， 存在严重安全隐患 。 本文针对循泵电动机改造后出现的噪声、振动增大、鼠笼条断条问题进行研究分析 ， 并予以解决 。
【|高压电动机节能改造，导致鼠笼条断裂，改进工艺解决故障】 1 故障现象
1.1 设备概况
循泵配套电动机为6kV立式鼠笼式异步电动机 ， 湘潭电动机厂制造 ， 原型号为YKSL2700- 16/2150-1W 。 2012年 ， 电厂通过对电动机定子线圈改造 ， 循泵电动机由原来16极、单一转速电动机改为具有16极和18极两种转速的双速电动机 ， 具体参数见表1 ， 可在停电时通过变更线圈抽头接法实现变速 。
1.2 故障现象
循泵电动机双速改造完运行了约3年后 ， 检修人员陆续发现部分循泵电动机在运行时存在电磁噪声变大、振动变大、电流波动增大的现象 。
例如在2016年11月 ， 运行中1B循泵电动机声音突然变大 ， 振动明显比其他电动机大 ， 查看运行状态曲线发现电动机运行电流也有明显的波动现象 ， 对比同样运行工况下的4B电动机发现 ， 1B循泵电动机电流在2min内的波动较大 ， 范围达到将近15A ， 而4B循泵电动机在2min内基本稳定在同一个电流值 ， 比较平稳 ， 如图1所示 。
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表1 改造后循泵电动机参数
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图1 1B循泵和4B循泵电动机电流曲线波动对比
当时对1B循泵进行更换备用电动机处理 ， 更换后新电动机基本没有噪声 ， 振动及电流波动现象也明显减低 ， 如图2所示 。
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图2 1B循泵更换电动机前后电流和振动对比
1.3 停机检查
在随后1B循泵电动机的解体检修中发现：1B循泵电动机转子大部分鼠笼条有明显断口或者裂纹的现象 ， 均出现在端环处 ， 如图3所示 ， 多达50条左右 ， 在后续对其他循泵电动机的解体检查中 ， 也同样发现有转子鼠笼条不同程度的开断现象 ， 数据统计见表2 ， 断条位置同样发生在鼠笼条根部 。
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图3 1B循泵电动机转子断条位置
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表2 电厂循泵电动机鼠笼条断裂情况统计表（不同时间段）
2 原因分析
循泵电动机故障发生后 ， 对电动机运行时出现的电磁噪声[1]、振动增大和鼠笼条断条等问题进行综合分析 ， 认为导致电动机出现大面积鼠笼条断条的主要原因是：电动机双速改造后可能存有电磁共振点 ， 使噪声变大 ， 并产生共振 ， 导致转子鼠笼条内部一些薄弱的应力焊点脱焊；同时 ， 电动机在全电压下多次频繁起动也可能造成电动机转子鼠笼条的受应力部位损伤断裂 。
下面对此展开具体分析 。
2.1 电磁共振
电动机定子有其固有的振动模态 ， 当电动机气隙中的电磁力波的空间阶次与定子模态的空间阶次相同 ， 且电磁力波频率与定子模态固有频率相近时 ， 会引起电动机定子共振 。
共振大小与电磁力波幅值及阶次有很大关系 ， 电磁力波引起的机械振动振幅几乎与电磁力波阶次的4次方成反比 。 所以 ， 随着电磁共振的产生 ， 会使定转子上焊接部位出现应力疲劳 ， 形成脱焊或者鼠笼条断条等现象 。
因此 ， 通过以下对循泵电动机进行电磁力波及模态振型计算分析 ， 可以分析判断循泵电动机分别在16极和18极下的电磁共振情况 。
根据原电动机制造厂对原电动机16极负载下进行电磁力波及模态振型计算分析 ， 发现在定转子槽配合168/204时存在4阶、频率1164Hz、1364Hz的电磁力波 ， 而模态振型4阶、1133Hz、1267 Hz ， 有共振风险 ， 但由于电磁力波幅值都很小 ， 不会产生明显振动 ， 也不会产生电磁噪声 ， 也就是说 ， 原单速16极电动机在振动和噪声上没有问题 。
本次节能改造 ， 对电动机定子线圈进行了双速改速 ， 电动机更改为16极和18极后 ， 电动机工作额定转速分别为原来的372r/min（高速）和改造后的333r/min（低速） ， 由于线圈都改动了 ， 谐波会发生很大的变化 ， 根据制造厂的试验数据 ， 对18极（低速）时作电磁力波分析 ， 该电动机电磁力波及模态分析见表3 ， 部分振型如图4所示 。
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表3 18极时电磁力波及模态
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图4 模态振型
从表3看出 ， 模态振型4阶1133Hz（幅值1029帕） ， 有一个完全对应的力波频率也为1133Hz ， 存在共振现象 ， 影响较大 ， 并且不同阶次中有一系列不同幅值的电磁力波1033Hz、1133Hz ， 模态中也有相同阶次、相近频率的振型与之对应 ， 构成共振的条件 。
虽然力波幅值较小 ， 影响有限 ， 但当整个电动机在共振条件下 ， 电动机薄弱环节会由于振动而断裂；或者随着共振使得焊接部位越来越不牢固 ， 由此分析：端部断条一部分原因应该是电动机低速运行下产生的电磁力共振 。 此结论通过运行实践中使用MDSP3型鼠笼式电动机故障仪检测也得到一定的验证 。
在电动机正常运行时 ， 电厂通过MDSP3型鼠笼式电动机故障测试系统对#3、#4号机循泵6台电动机进行在线检测 ， 发现在低速状态下 ， 转子鼠笼条断裂故障症状表现比高速状态更为明显 ， 说明电动机在低速时可能产生的振动及断条更明显 。
MDSP3型仪器是通过获取故障电动机的电流分量进行频谱分析 ， 因为在理想情况下 ， 异步电动机定子电流的频率是单一的 ， 即只含有50Hz的电源频率 ， 但是当转子出现断条时 ， 定子电流发生畸变 ， 产生了高次谐波分量 ， 定子电流的频谱图将会发生变化 ， 在与电源频率相差2倍转差率的频率（±2sf1）处各出现一个边频带 。
检测电动机电流信号中在电流频率（50Hz）以及边带频率（±2sf1）范围内两者间的平均幅值差（dB）可用作评估电动机转子鼠笼条健康的状态指标 。
电厂对#3、#4号机循泵电动机进行电动机故障诊断后 ， 检测基本情况见表4 。
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表4 使用故障测试仪测量6台循泵电动机的情况
检测中发现高速运行的循泵电动机频谱都比较正常 ， 例如3A电动机 ， 如图5所示 ， 低速运行的3C、4C循泵电动机频谱均诊断出有不同程度的故障 ， 例如4C电动机 ， 如图6所示 。 2台电动机鼠笼绕组频谱图分别反映电动机可能存在不同程度的鼠笼条高阻接点或裂纹 ， 严重时可造成鼠笼条断裂 ， 因此可验证在低速状态下 ， 转子鼠笼条断裂故障症状表现更为明显 ， 充分说明电动机低速时内部可能存有较大共振影响 。
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图5 3A循泵电动机正常频谱图（正常）
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图6 4C循泵电动机鼠笼条断条时频谱图（故障）
2.2 频繁起动
为实现节能降耗 ， 运行部门每天根据负荷及工况需求经常对循泵进行起停变换运行方式 。 根据运行系统数据采集 ， 在某些月份 ， 同一台循泵电动机每月的起停能达到30次以上 。
根据三相异步电动机起动原理 ， 全压起动时大电流在电动机定子线圈和转子上产生很大的冲击力 ， 由于循泵电动机在全电压下频繁起停 ， 会引起电动机内部电磁、机械及热应力的变化 ， 容易造成转子鼠笼条疲劳损伤 。
转子在整个运转过程中 ， 会受到离心力、转子加速过程中在端环和鼠笼条接触面形成的剪切力、热胀冷缩、鼠笼条在铁心中松动而引起的振动力等影响 ， 频繁起停会使鼠笼条和端环接触面反复受力 ， 疲劳损伤 ， 乃至断裂 。
通过现场检修检查情况及起停数据比较 ， 起停越频繁的电动机 ， 转子鼠笼条的断裂情况一般更为严重 。 虽然高压电动机每天一两次起动不能算多 ， 但如果制造厂按照S1（连续运行）工作制设计 ， 没有充分考虑高压电动机频繁起停的需求 ， 在转子制造上没有采用满足频繁起停的加强措施 ， 对转子鼠笼条断裂有一定影响 。
3 整改措施
根据以上分析 ， 电磁共振和电动机在全电压下的频繁起停是导致循泵电动机转子鼠笼条断裂的重要因素 ， 但考虑机组运行需求和实际成本 ， 针对电磁共振带来的影响对电动机定子结构进行加固改造的难度较大 ， 同样在当前电厂节能要求形势下 ， 减少电动机起停次数是不现实的 。
所以 ， 采用对转子进行检修改造、工艺改进等形式来防止转子在运行中发生鼠笼条断裂 ， 满足循泵电动机频繁起停的工况要求 ， 改进措施主要如下 。
3.1 鼠笼条根部加强 ， 提高鼠笼条的机械强度
由于端部断条与电磁力共振相关 ， 同时频繁起停时 ， 鼠笼条伸出铁心段的质量会产生离心力 ， 端环的惯量产生旋转切线方向的力 ， 鼠笼条反复频繁受力 ， 易疲劳断裂 。
为降低这些因素共同对鼠笼条根部的影响需提高鼠笼条根部的机械强度 。 由于转子铁心槽形已定 ， 增大鼠笼条截面来增大强度方法已基本不可能 ， 因断裂点在鼠笼条与端环的接触部位 ， 采用鼠笼条旁增加一块与鼠笼条尺寸相同的短片一并焊成一体 ， 等于该处的鼠笼条截面增加一倍 ， 强度增强一倍 ， 起到一个加强筋的作用 ， 如图7所示 ， 同时可以减少电磁共振影响 。
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图7 导条根部加强 ， 增加限位条
3.2 增加限位条 ， 防止转子笼下垂 ， 造成鼠笼条根部松动
为防止转子笼下垂移位 ， 造成鼠笼条根部松动 ， 在转子鼠笼的两端 ， 端环与铁心间距中均匀分布4～6块限位条 ， 保证端环与铁心的间距尺寸 ， 限位条也可增大鼠笼条强度功能 ， 限位条一并焊入端环 ， 如图7所示 。
3.3 增加鼠笼条压坑 ， 防止鼠笼条在槽内产生振动
鼠笼条在铁心槽中存在间隙 ， 原转子虽采用了压坑胀紧措施 ， 但原压坑点少且偏中部 ， 槽两端的鼠笼条由于电动力、动不平衡及其他多种原因 ， 鼠笼条在铁心槽中振动 ， 振动幅值很小 ， 但频率较高 ， 在鼠笼条根部表现为振动频率较高的振动力 。
因此 ， 增加在转子槽内的鼠笼条上压坑 ， 作用是让鼠笼条向转子铁心槽二边扩胀顶住槽壁 ， 防止鼠笼条在槽内松动引起振动 ， 压坑由2个增加至6个 ， 沿铁心长度均匀分布 。
3.4 增加端环厚度 ， 减少端环温升
转子两侧端环厚度由原36mm增厚为40mm ， 增大端环热容量及降低端环电流密度 ， 有利降低端环与鼠笼条接触面的起动过程温升 ， 间接增大了鼠笼条机械强度 ， 端环截面增大 ， 电阻减小 ， 有利于转子铜损减小 。
3.5 提高端环的同心度 ， 减小端环的晃动力
当存在端环的偏重、端环与轴中心的不同心等原因时 ， 旋转时端环产生动不平衡晃动 ， 由于鼠笼条在铁心槽中相对固定 ， 晃动力就作用在鼠笼条根部 ， 晃动力基本为径向 ， 动不平衡量越大 ， 晃动力也越大 。
立式电动机可能存在转子笼下垂移位现象 ， 造成端环与铁心的间距上小下大 ， 下端的晃动力会增大 。 因此 ， 在端环焊接工艺完成后 ， 原切削加工端环的外圆和外端面 ， 改进增加端环内圆面切削 ， 提高内圆同心度 ， 相应降低了端环的动不平衡量 ， 减小端环的晃动力 。
3.6 改善鼠笼条焊接工艺 ， 采用整体熔焊
焊接工艺质量会造成焊接内应力问题 ， 鼠笼条与端环的焊接老工艺为逐根焊接 ， 焊接过程端环各部温度不均匀 ， 金属结晶组织发生变化 ， 焊后又未进行热相处理 ， 致焊接部分存在无定向内应力 。
因此改善焊接工艺 ， 逐根焊改成整体熔焊 ， 全部鼠笼条与端环一次焊成 ， 为保证鼠笼条与端环的良好接触 ， 鼠笼条插入端环的深度不小于5mm；鼠笼条的端面加工成多齿形 ， 增加接触面积；焊料为银铜焊条 ， 整个端环整体加热 ， 全环加热温度均匀 ， 如图8所示 。 焊接完成后采用保温工艺 ， 使温度缓慢下降 ， 大幅降低残余内应力 ， 增强鼠笼条的应力强度 。
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图8 焊接端面图
通过以上措施对转子结构进行加强和改进后 ， 目前电动机已正常运行了几年时间 ， 暂未再发生鼠笼断条情况 ， 改进后电动机运行工况也有明显好转 。 例如1A循泵电动机 ， 修前工况是在泵出口压力平稳的状态电动机电流波动跳跃现象较严重 ， 在电动机转子改进修理后 ， 在泵出口压力平稳的状态下电动机电流也趋于平缓 ， 如图9所示 ， 说明本次对转子的加工改造措施是有效的 。
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图9 1A循泵修前修后电流和出口压力曲线相关性对比
4 改造后运行状况
通过以上措施对循环水泵电动机转子进行工艺改进 ， 根据运行4年来对电动机修后的状态监测 ， 未发现异常现象 。
以#1机循泵A电动机运行状况为例 ， 采集其振动频谱 ， 分别如图10、图11所示 ， 1A循泵电动机侧驱动端水平振动0.723mm/s ， 轴向振动0.778mm/s ， peakvue数值为0.739 ， 水泵侧振动为0.240mm/s ， 振动数值良好 ， 振动频谱无异常现象 。
通过MDSP3型仪器对1A循泵电动机在低速时进行鼠笼条故障诊断 ， 数据见表5 ， 诊断频谱如图12所示 ， 诊断结果无鼠笼条断条现象 。
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图10 1A循环水泵电动机修后驱动端peakvue图
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图11 1A循环水泵修后振动频谱
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表5 使用故障测试仪测量1A循泵电动机的情况
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图12 1A循泵电动机修后鼠笼绕组频谱
根据对1A循泵电动机修后运行4年后的状态监测和故障诊断 ， 该电动机在振动频谱、转子鼠笼条绕组频谱等多方面的分析 ， 均未再次出现故障现象 。
5 结论
电动机双速节能改造 ， 虽增加了经济效益 ， 但也带来电动机可靠性的新问题 。 电动机双速节能改造 ， 不应只考虑定子线组改造 ， 还需了解不同转速下电动机固有共振频率的不利影响 ， 并采取措施避免 。
对于有频繁起停需求的高压电动机在定货时一定要有工作制说明 ， 制造厂在转子的制造工艺上应采取必要的加强措施 ， 以确保满足电动机频繁起停的需求 。 同时要加强对起停频繁电动机的监控 ， 通过有效的软件仪器采集电动机振动频谱进行分析 ， 可以提前发现电动机转子断条等隐性缺陷 。
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