大型三相异步电动机烧损处理及原因探讨.doc

火力发电厂给水泵电机烧损处理及原因探讨
王云峰，辛福春，刘体新
(河南理工大学，河南焦作454001)

［摘要］本文介绍了一起大型三相异步电动机运行中定子绕组烧损的事故经过，根据现场情况和历史数据，对事发过程进行了并全面分析，解释了故障发生的原因，并提出了预防措施。
［关键词］定子 绕组 绝缘

Discussions on Burning of a Boiler Feedwater Pump Motor in Thermal Power Plant
WANG Yun-feng，Xin Fu-chun，Liu Ti-xin
（Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454001,China）
Abstract: This paper describes the burning process of a boiler feedwater pump motor. On the basies of the scene conditions and the history datas, the author discusses the process of the accident and provides a comprehensive analysis of the cause and preventing measures.
Keywords： stator ; winding ; isolation

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引言：
给水泵是火力发电厂的主要辅机。给水泵电机的运行状况直接关乎机组运行的可靠性。某厂#2机组B给水泵电机为上海电机厂生产的YKS5100-4型鼠笼式三相异步电动机，额定功率5100kW，额定电压6kV，额定电流560.5A，定子绕组绝缘等级：F，接法：Y，工作制：S1，额定转速1491r/min，出厂日期：1998年9月。
该套给水泵系统通过液力耦合器进行调速。分别配用DGT750-180型水泵和YOT51型液力耦合装置。整套设备于1998年12月投入运行。
该电机曾于2005年10~12月期间进行大修。大修后各项电气预试均合格，与历史试验数据相比较无异常。电机内外部检查均未发现任何异常。
该给水泵电机电源CT变比为300/5（二相式），母线PT变比为（6000/）/（100/）/（100/3）（三相均装有），配套保护定值分别为：过流I段（速断）保护40A/0s，过流II段（过流）保护13A/12s，过负荷保护4.9A/60s，比率差动保护2.5A0s，低电压保护43V/9s（按相间电压整定），负序过负荷报警0.01A/0.01s。6kV动力保护配置为RCS-9627B型电动机保护测控装置，其后台监控配置为FG-2型监录装置。发电机组配用DCS系统。

1 故障经过
2008年9月14日上午09:04:33，#2机B给水泵运行中突然掉闸，A给水泵联动成功。62甲段“接地”信号灰闪，电气比率差动，差动、速断保护动作。运行人员将B给水泵开关解备后，测电机绝缘三相对地到零。
图2定子绕组故障点情况
图1定子绕组故障部位
检修人员将B给水泵就地接线盒拆开后，测电机绝缘三相对地到零，相间通。拆除电机端盖检查发现，该电机尾端机壳下方有绝缘粉末沉积，尾端下方端部绕组内面有电弧烧灼痕迹。

2 检查处理情况
故障电机解体、抽出转子后发现，该电机定子尾端（非传动端）5点钟方向铁芯槽口处2根线棒绝缘击穿，其中一根线棒导体基本烧断(烧出1个20mm见方，15mm深的坑洞)，另一根线棒主绝缘击穿（主绝缘上烧蚀痕迹约20mm见方， 3mm深，已露铜)，两线棒对定子铁芯均有放电痕迹，检查其余部位未发现明显异常（如图1、图2）。
电机送检修单位更换定子线圈时发现，电机机壳内部有较多锈迹，部分槽内线棒与铁芯槽壁间间隙较大，下层的端部与端箍间也不服帖，绑扎松弛。铁芯出槽口处及与端箍绑扎部位普遍有长期磨擦痕迹。上述部位的绝缘磨损导致了机壳内绝缘粉末的产生。
此次检修中，主要进行了以下工作：定子机壳除锈，拆除电动机定子绕组，定子铁芯清理，硅钢片整形、清槽、去毛刺，重新制作线圈并下线。
新绕组绝缘带采用5442-1和5442-1D少胶云母带包缠绝缘。对线棒端部使用涤玻绳两道绑扎，线棒与线棒之间以及线棒与端箍之间空隙用适形材料填充，同时对线棒小引线采用涤玻绳正反绕扎。定子绕组烘焙后采用真空压力浸渍，使线棒能最大限度吸收绝缘漆，再经过烘焙使线棒和定子铁芯成为一个密实整体。对线棒端部使用涤玻绳两道绑扎通过采取这些措施，使定子线圈不会因电机振动而松动磨损绝缘。

3 故障原因分析
3.1 故障经过分析
据当班运行人员反映：故障发生前，该电机运行平稳，无任何故障先兆。调阅监控系统历史曲线，故障发生前该电机各电气参数均未见异常，故障发生前，电机A、B、C三相电压稳定，分别为3.51kV、3.52kV、3.59kV。当天9时01分11秒—13秒的3秒钟内，B相电压突然降至2.92kV， A、C相电压分别升高至4.09 kV、3.71 kV，直至9时04分33秒电机发生相间短路，开关跳闸。故障持续时间约3 分20秒。
由上述情况基本可以判定电机B相定子绕组首先接地，其接地的原因有以下2种可能：
（1）从电机定子绕组绝缘磨损的情况来看，该电机长期运行后，绕组存在局部固定松动。槽口处的线棒因绝缘磨损破坏，导致B相绕组对地绝缘下降。
（2）该电机B相绕组在槽口处匝间绝缘不良，导致该处绕组内部首先出现匝间短路，并引发其线棒主绝缘击穿，导致B相绕组对地绝缘下降。
B相绕组接地或匝间短路时引起的电弧将相邻线棒绝缘破坏后导致2相绕组（通过定子铁芯）相间短路，致使差动、速断保护动作，开关跳闸。

3.2 原因分析探讨
（1）直接原因
故障发生的直接原因是：定子绕组相间短路。
（2）根本原因
可能的根本原因有以下两方面：
a、外因：热老化引起绝缘层径向收缩和蠕变收缩导致绝缘松动，机械振动将导致线圈主绝缘磨损。另外，电机起动时的电磁力在线圈上产生很大应力，在弯曲和挤压应力反复作用下，线圈绝缘层会出现疲劳断裂。
b、内因：电机定子绕组匝间绝缘老化或制造工艺不良，导致运行中出现匝间短路。
根据历史数据可以判断：定子绕组单相接地后未能得到及时控制，进而使故障发展成为定子相间短路，导致电机故障跳闸。
（3）其它可能原因
a、运行方式因素：
故障电机所在的B给水泵为液耦调速泵，而另一台（A）给水泵为定速泵，其运行经济性不如B泵。优先使用的运行方式导致B给水泵电机长周期连续运行。据统计，仅2008年上半年，该电机的使用小时数就是A泵电机的17.5倍。由于未能得到及时轮换检查，绕组绝缘的老化、磨损持续积累，故而未及预试周期，即发生故障。
b、温升因素：
图4 电机外部红外热成像图

故障电机原始设计为水冷式内部循环空气冷却方式，但定子两端却没有隔离冷、热风区的风罩。同时，因考虑转向因素（允许朝任意方向运转），转子两端风扇设计为离心式。这样由离心式风扇鼓出的部分气流又返回定子端部，不能进入电机定、转子中部对其进行冷却。机内的空气流实质上主要依靠转子运转时的离心作用。由此造成的风量不足将造成定、转子局部热量积累（如图5、图6）温升超标。实际使用中发现，夏季气温高时该电机定子出风温度达70℃以上，绕组、铁芯温度达100℃以上。绝缘的热老化存在积累效应，故该电机定子绕组槽部绝缘的寿命必将受到一定影响。
c、潮湿因素：
故障电机原始设计的2个水冷式冷却器下方各有一个接水槽和一个检漏口，冷却器漏水可以流出机外，得以被及时发现。但故障电机自投运以来，其检漏口的橡胶堵头却未被拔出，这样冷却器漏水将无法被巡视人员及时发现，而是流经电机铁芯、绕组后，积存于电机定子底部。特别是在运行期间，电机绝缘在线监测装置不起作用，漏水形成的潮气将使电机绕组绝缘降低、介损增加，直至形成闪络和相间短路。此次故障中，解体电机时，虽然未发现电机冷却器渗漏和底部积水，但机壳内壁存在较多锈迹应能说明一定问题。

图3 电机内部空气流动方向示意图

冷风
热风
冷却器
冷却风
受阻部位
转子离心式扇叶
4 建议及预防措施
（1）建议加装电机零序保护CT。本次故障中，电机定子从出现三相电流明显不平衡到形成相间短路耗时200秒，6kV段故障录波装置已捕获到该段零序电流的突增，但因给水泵电机保护配置不全（无零序保护），出现零序电流时既无报警，也不能动作于电源开关，故而导致故障扩大。建议加装电机零序保护，故障时发报警信号或及时跳开电源开关，就能有效减少此类故障造成的损失。
（2）电机再次投运前应及时打开电机冷却器检漏口橡胶堵头，加强电机冷风器漏水状况的监控。同时注意运转期间，绝缘监测不起作用时电机内部的湿度监控，减少因绝缘受潮击穿造成的事故。
（3）建议大修中加装电机端部冷热风区挡板，并根据电机运转方向，将转子端部风扇由离心式改为轴流式，防止电机内部因风短路造成局部散热不良，进而威胁绝缘寿命。同时加强运行中电机内部温度监控，防止长期超温运行导致绝缘加速老化；
（4）加强设备检修质量监督，尤其是加强对长运行周期电机定子绕组固定情况的检查，发现绝缘粉末沉积必须查找根源并及时处理。必要时填充适形材料重新绑扎或进行定子绕组整体真空压力浸漆，消除设备隐患。
（5）加强电气试验监督，特别是试验中对电机绕组直流电阻的监督，发现相别直阻超标或与以往历史数据差别超标时进行深入分析及处理，消除绕组匝间绝缘隐患。
（6）尽快对定速给水泵进行节能（调速）改造，落实设备定期轮换制度，以使两台设备可以均衡承担负载，提高机组运行的经济性和可靠性。
（7）鉴于目前对电动机匝间短路引起的电流微小变化尚无有效保护手段，而常规绕组耐压试验仅能确保主绝缘质量，对匝间绝缘没有检验效果，因此匝间短路造成的故障仍是今后需要继续研究的课题。