論感應(yīng)電機(jī)電氣故障機(jī)理分析

【摘 要】感應(yīng)電機(jī)電氣類(lèi)故障主要由電機(jī)結(jié)構(gòu)以及工作環(huán)境決定。感應(yīng)電機(jī)電氣故障發(fā)生的頻率表明，電氣故障主要來(lái)源于軸承和定子繞組，很多故障對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況有著高度的敏感性，如：絕緣損壞，局部放電，火花；熱效應(yīng)：銅損，缺乏整體或局部冷卻等，以下，對(duì)感應(yīng)電機(jī)電氣故障機(jī)理進(jìn)行具體分析。

【關(guān)鍵詞】感應(yīng)電機(jī) 電氣故障 類(lèi)型 分析

電氣故障，在定子或轉(zhuǎn)子上發(fā)生，可以有不同的故障類(lèi)型和不同的故障原因。如電源電壓不平衡或者是頻繁起動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致定子線(xiàn)圈過(guò)熱，最后導(dǎo)致絕緣子的局部破壞。同樣的，施加在導(dǎo)體上的電動(dòng)阻力會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)，也可能使絕緣惡化。

1 定子故障

定子故障是最常見(jiàn)故障之一。本文主要分析定子鐵芯、定子繞組匝間短路和繞組絕緣三類(lèi)故障的形成原因。

1.1 鐵芯故障

感應(yīng)電機(jī)定子鐵芯是用硅鋼片夾緊鐵芯固定在定子支架上，正因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)，如果損傷了定子鐵芯，就會(huì)形成定子片間短路。定子出現(xiàn)高溫、大環(huán)路電流、絕緣材料高溫分解現(xiàn)象。流過(guò)鐵芯短路位置的電流不斷增大。大到一定程度，定子鐵芯硅鋼片就會(huì)被熔化，導(dǎo)致定子槽中絕緣繞組被燒化，此時(shí)必須更換線(xiàn)圈。此種故障產(chǎn)生原因多為制造缺陷，電機(jī)劇烈振動(dòng)導(dǎo)致的電機(jī)定子鐵芯片間絕緣損壞也是故障誘因之一。

（1）鐵芯多點(diǎn)接地故障。當(dāng)鐵芯多點(diǎn)接地發(fā)生故障后，會(huì)伴隨很多奇特的現(xiàn)象，如：繞組過(guò)熱、絕緣損耗和老化、接地線(xiàn)路被燒斷、鐵損增大、鐵芯過(guò)熱。（2）鐵芯過(guò)熱故障。鐵芯過(guò)熱故障的原因通常包括：不正常接地、絕緣損壞、定子繞組匝間短路、過(guò)載運(yùn)行等。鐵芯過(guò)熱多發(fā)生在夾件與鐵芯上。

1.2 繞組絕緣故障

感應(yīng)電機(jī)的故障往往是由于繞組絕緣空洞或混有雜質(zhì)等缺陷造成的。絕緣缺陷主要是生產(chǎn)過(guò)程中造成的，因此電機(jī)的運(yùn)行狀況與使用壽命與生產(chǎn)工藝息息相關(guān)。絕緣缺陷和絕緣老化導(dǎo)致的絕緣故障都表現(xiàn)為電機(jī)內(nèi)活動(dòng)性放電量增加，通過(guò)一些檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可以獲得絕緣老化的一些數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)分析能夠判斷絕緣老化的程度和原因。

1.3 定子繞組匝間短路故障

定子繞組匝間短路也是感應(yīng)電機(jī)常見(jiàn)故障之一，故障原因主要有生產(chǎn)工藝不合格和不正常的運(yùn)行兩個(gè)方面引起。

1.3.1 定子故障的發(fā)展過(guò)程

感應(yīng)電機(jī)定子故障的最初階段，電機(jī)仍可正常運(yùn)行，功率、電壓及震動(dòng)也都在正常范圍之內(nèi)，但此時(shí)電機(jī)定子磁場(chǎng)已發(fā)生改變，定子電流中可以檢測(cè)到故障特征。這里我們采用了定子電流法診斷感應(yīng)電機(jī)定子故障，隨著故障的惡化，電機(jī)正常運(yùn)行受到影響，震動(dòng)加劇，輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電機(jī)工況異常，故障即將爆發(fā)。再進(jìn)一步發(fā)展，更多的絕緣被損壞使得短路故障加劇，劇烈震動(dòng)，定子溫升劇增使得電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。

1.3.2 定子故障后果

（1）定子匝間短路引起電機(jī)機(jī)身和機(jī)座振動(dòng)。感應(yīng)電機(jī)一旦發(fā)生故障，電機(jī)機(jī)身和各零部件都會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，振幅超過(guò)臨界值會(huì)造成定轉(zhuǎn)子的摩擦，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損毀電機(jī)，甚至危害人身安全。感應(yīng)電機(jī)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，電機(jī)機(jī)身發(fā)熱造成的不對(duì)稱(chēng)以及點(diǎn)磁拉力不平衡都會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)。

（2）短路故障引起各電氣量變化。定子繞組匝間短路致使絕緣損壞，相當(dāng)于定子繞組中有效匝數(shù)減少，電磁場(chǎng)發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電氣量（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流，磁鏈等）的改變，定子電流中表現(xiàn)為偶次諧波分量的出現(xiàn)以及奇次諧波含量的變化，該變化會(huì)隨著故障程度的加深而不斷演化。感應(yīng)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)受勵(lì)磁電壓的影響，與負(fù)載是否對(duì)稱(chēng)無(wú)關(guān)。定子狀態(tài)健康的電機(jī)，當(dāng)電源三相對(duì)稱(chēng)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)完全對(duì)稱(chēng)，定子繞組不出現(xiàn)偶次諧波分量。匝間短路后，氣隙磁場(chǎng)不再對(duì)稱(chēng)，會(huì)導(dǎo)致偶次諧波成分（如2次諧波）的出現(xiàn)。

定子繞組與電源接通，定子繞組中流過(guò)的對(duì)稱(chēng)的三相電流，基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)地會(huì)在氣隙中建立起來(lái)，其同步轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率和電機(jī)繞組極對(duì)數(shù)共同決定，即：

鼠籠式感應(yīng)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)再感生出相應(yīng)的電流。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與定子同步轉(zhuǎn)速不等，轉(zhuǎn)差率s= -/，當(dāng)感應(yīng)電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載變化而波動(dòng)。感應(yīng)電機(jī)匝間短路后定子繞組部分會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱，電流不再三相對(duì)稱(chēng)，轉(zhuǎn)矩變小，噪聲和振動(dòng)加劇。

（3）定子繞組匝間短路故障的機(jī)理分析。感應(yīng)電機(jī)定子繞組三相存在120°的相位差，并且在時(shí)間和空間上對(duì)稱(chēng)分布，該結(jié)構(gòu)的作用是既可以使由三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)達(dá)到基本正弦的要求，又可以使各個(gè)線(xiàn)圈磁勢(shì)中的低次諧波與間諧波（分?jǐn)?shù)次）相互抵消。處于正常狀態(tài)的感應(yīng)電機(jī)，定子電流中的主要頻率分量是基波分量。但是考慮到制造工藝不合格、材料不達(dá)標(biāo)、安裝不正規(guī)等原因，實(shí)際的感應(yīng)電機(jī)三相繞組不可能完全對(duì)稱(chēng)，這會(huì)導(dǎo)致定子電流中2 次或3 次諧波成分的出現(xiàn)。電機(jī)定子繞組發(fā)生短路故障時(shí)，三相繞組不對(duì)稱(chēng)性加劇，表現(xiàn)在氣隙磁場(chǎng)中為較強(qiáng)的空間諧波，在定子電流中則是較強(qiáng)的時(shí)間諧波成分，三相繞組不對(duì)稱(chēng)性的加劇使得定子電流中奇次和偶次諧波增強(qiáng)。定子繞組匝間短路故障會(huì)改變?cè)兄C波成分的能量，并且其它頻率的諧波成分也會(huì)增多。定子繞組發(fā)生匝間短路故障后在繞組電感中也表現(xiàn)出變化，根據(jù)磁鏈與電流的相互關(guān)系可以給出定、轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流的變化。定子電流諧波在定、轉(zhuǎn)子之間通過(guò)電磁感應(yīng)不斷影響得到定子電流特征諧波的過(guò)程如下：

定子轉(zhuǎn)子定子轉(zhuǎn)子

上式中，并且是相對(duì)角速度，（和分別是轉(zhuǎn)差率和電源基波頻率）

定子電流的諧波成分如下式

由以上推導(dǎo)可知，正常狀態(tài)電機(jī)中，定子電流諧波成分如上式所示，此時(shí)繞組三相對(duì)稱(chēng)，電流中只有單一的諧波成分。定子故障后，各次諧波幅值發(fā)生變化，繞組的不對(duì)稱(chēng)性使高次諧波增加。對(duì)定子繞組匝間斷路故障的分析還可以從磁動(dòng)勢(shì)的角度進(jìn)行分析?；诖艅?dòng)勢(shì)原理分析推導(dǎo)得到的定子繞組故障時(shí)定子電流中的特征諧波為：

為轉(zhuǎn)自槽數(shù)，是電機(jī)極對(duì)數(shù)，為電源基。

2 轉(zhuǎn)子故障

轉(zhuǎn)子溫度過(guò)高，離心負(fù)荷過(guò)大，及轉(zhuǎn)子制造過(guò)程中的缺陷（間隙和氣泡以及不合格的鑄件澆鑄和金屬焊接技術(shù)）都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障。離心負(fù)荷過(guò)大在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中最為常見(jiàn)，生產(chǎn)制造缺陷則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體電阻過(guò)高，從而引起過(guò)熱。高溫使得鼠籠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，進(jìn)而可能出現(xiàn)鼠籠條裂紋?；\條超出轉(zhuǎn)子槽范圍便失去轉(zhuǎn)子鐵芯的支撐，長(zhǎng)時(shí)間的高溫運(yùn)行也會(huì)引起端環(huán)和籠條變形，并最終導(dǎo)致端環(huán)與鼠籠條斷裂。電機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，籠與端環(huán)間必然有力的作用；電機(jī)負(fù)荷無(wú)規(guī)律的變動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及電機(jī)頻繁的啟制動(dòng)過(guò)程造成的磁場(chǎng)變化都會(huì)增加籠條和端環(huán)故障的發(fā)生幾率。轉(zhuǎn)子故障征兆一般表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速變化，電機(jī)振動(dòng)，定子電流三相不平衡，負(fù)序成分的產(chǎn)生及斷電殘壓。電機(jī)在高速運(yùn)行過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子本體故障。轉(zhuǎn)子本體故障一般表現(xiàn)為：軸彎曲、不平衡、軸裂紋、不對(duì)中以及偏心等。轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，會(huì)產(chǎn)生同轉(zhuǎn)頻的周期性激振力導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)增大。電機(jī)轉(zhuǎn)子在加工過(guò)程中留下的傷痕在運(yùn)行中，會(huì)出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子斷裂的災(zāi)難性故障。偏心分為靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心以及混合性偏心，轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡磁拉力，從而引起振動(dòng)。轉(zhuǎn)子溫度分布不均使得轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲時(shí)，振動(dòng)加劇，會(huì)導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生碰摩，最終損壞電機(jī)。

2.1 轉(zhuǎn)子斷條故障分析

轉(zhuǎn)子斷條故障發(fā)生后，定、轉(zhuǎn)子三相電流都不對(duì)稱(chēng)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩失衡，其脈動(dòng)成分也增加。斷裂的導(dǎo)條阻抗無(wú)窮大，導(dǎo)條的電流為零，電機(jī)轉(zhuǎn)矩總量會(huì)減小并且不對(duì)稱(chēng)的轉(zhuǎn)子電流氣隙的磁場(chǎng)發(fā)生變化，形成反向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，因而電磁轉(zhuǎn)矩也為反向，正負(fù)轉(zhuǎn)矩相互抵消，電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩就相應(yīng)的減少。這種故障會(huì)引起電流和電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大時(shí)（恒定速度），該故障現(xiàn)象更引人注目。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較小時(shí)，振蕩發(fā)生在機(jī)械轉(zhuǎn)速和定子電流幅值上。斷條發(fā)生后，通入三相電流以后，啟動(dòng)時(shí)間明顯延長(zhǎng)。隨著斷條根數(shù)的增加，轉(zhuǎn)矩也在變小，脈動(dòng)成分增加，波動(dòng)性變大。轉(zhuǎn)子故障后如果電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，與斷條相鄰的籠條和與斷條空間位置對(duì)稱(chēng)的導(dǎo)條電流會(huì)突增，導(dǎo)條溫度也會(huì)急劇升高，斷條相鄰和相對(duì)籠條受到更大的應(yīng)力，更易斷裂。發(fā)生斷條后，很多電氣量都或多或少發(fā)生相應(yīng)的變化。電機(jī)起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，有效力矩減小，轉(zhuǎn)差變大，電機(jī)振動(dòng)和噪聲增強(qiáng)，定子電流波動(dòng)，電機(jī)局部升溫。

2.2 端環(huán)斷裂故障分析

環(huán)形截面斷裂故障發(fā)生頻率可以與斷條故障相比較。這些斷裂是由于澆鑄時(shí)的氣泡或由于導(dǎo)條與環(huán)之間張力的不同造成，尤其是在短路環(huán)比轉(zhuǎn)子導(dǎo)條產(chǎn)生更大的電流。環(huán)的生產(chǎn)尺寸不合格，再加上惡劣的運(yùn)行環(huán)境以及過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，都會(huì)造成斷裂。一般情況下，一根斷條故障不會(huì)造成機(jī)器關(guān)閉，因?yàn)榇┻^(guò)斷條的電流分布在相鄰的導(dǎo)條。然而斷裂的導(dǎo)條過(guò)載或者是斷條進(jìn)一步增加就會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

感應(yīng)電機(jī)電氣故障有屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的故障，有定、轉(zhuǎn)子等元器件故障，物理成因是感應(yīng)電機(jī)故障主要表現(xiàn)形式。常規(guī)故障經(jīng)過(guò)分析和檢測(cè)后，均可在使用中最大程度的避免故障發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：梁毅勇（1981—），男，山西陽(yáng)泉人，碩士研究生，機(jī)電工程師，主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)管理，研究方向：機(jī)電一體化。