YKK400-6 280 kW異步電動機溫升高問題簡析

張 艷

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

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YKK400-6 280 kW異步電動機溫升高問題簡析

張 艷

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

簡要介紹了某電廠風機配套用交流電動機溫升偏高問題的分析處理過程。根據電動機現場工況，參照電機設計資料，通過對電動機的發(fā)熱原因及配套通風散熱系統(tǒng)等進行分析，最終發(fā)現電動機溫升偏高原因為電機冷卻系統(tǒng)外風路進風不暢，風量不足所致。更換電機冷卻器配置后，問題得到解決。

電動機溫升；損耗；風路；換熱容量；對數平均溫差

0 引言

YKK400-6 280 kW 異步電動機是我公司為某電廠設計制造的風機配套電動機，F級絕緣，B級溫升考核。電動機在運行時發(fā)生溫升高現象。本文以此為例，簡要介紹電動機溫升高故障的分析和處理。

1 電動機設計參數

電動機型號： YKK400-6

電動機功率： 280 kW

額定電壓： 6 kV

額定轉速： 992 r/min

額定電流： 27.56 A

功率因數cosΦ： 0.828

換熱功率： 17.038 kW

絕緣等級： F

外風路進口風溫t1： 40 ℃

外風路出口風溫t2： 55 ℃

電機出風溫度T1： 80 ℃

電機進風溫度T2： 60 ℃

2 故障分析

2.1 故障檢測

電動機為雙軸伸電機，通過聯軸器分別與兩臺風機連接，安裝在隔音室內?，F場運行時，電動機發(fā)生溫升高現象。在隔音室門打開狀態(tài)下，電動機帶載穩(wěn)定運行至溫升穩(wěn)定后，現場實測結果如下。

定子繞組最高溫升： 107 K

室外溫度： 10 ℃

隔音室室內溫度： 32 ℃

冷卻器外風路進口風溫t1＇： 33 ℃

冷卻器外風路出口風溫t2＇： 55 ℃

冷卻器內風路進口風溫T1＇： 69.5 ℃

冷卻器內風路出口風溫T2＇： 46.5 ℃

上述測量結果中，繞組溫升值為PT100測溫元件監(jiān)控顯示最高值，風路風溫為檢測數據的平均值。

2.2 故障原因分析

當電動機溫度超過絕緣材料許用溫度時，絕緣材料會迅速老化，影響電動機的使用壽命和運行可靠性，嚴重時甚至會損壞電動機。因此電機溫升故障需盡早處理。電動機常用絕緣等級和允許溫升見表1。

表1 電動機常用絕緣等級及溫升限值

處理溫升問題時，主要從電動機自身發(fā)熱和配套冷卻系統(tǒng)通風散熱方面著手，針對性解決。

2.2.1 電動機發(fā)熱分析

電動機發(fā)熱一般分為正常發(fā)熱與異常發(fā)熱兩種情況。

正常發(fā)熱主要來自電機各種正常損耗以及非穩(wěn)態(tài)運行發(fā)熱。正常損耗為電機正常運行時產生的損耗，主要包括：定、轉子銅耗、鐵耗、機械損耗、雜散損耗等；非穩(wěn)態(tài)運行包括啟動、制動、反轉等。電動機在非穩(wěn)態(tài)運行時，繞組內電流遠大于正常工作時電流，發(fā)熱量驟增，但電機恢復穩(wěn)定后，會很快恢復正常。

異常發(fā)熱原因主要有：鐵心疊片絕緣老化導致渦流損耗增加、繞組絕緣老化引起漏電流增加、相電壓不平衡引起的電流不平衡導致的異常發(fā)熱、電源電壓波動引起的損耗增大、接線錯誤、局部短路、機械故障等等。除絕緣老化一般是一個慢性漸變過程外，其余異常原因導致的發(fā)熱變化都比較迅速，且有時會伴有振動、異聲等，表征比較明顯。

此電機為我公司成熟產品，同型號、參數規(guī)格的產品已經生產過多批次實物，均未出現類似問題。因此，電機設計參數原因導致溫升偏高基本可以排除。另外，本電機溫升為穩(wěn)態(tài)運行出現，非穩(wěn)態(tài)運行原因可以排除。

電機經過我公司出廠試驗合格后出廠，電機各項技術指標、性能參數均符合設計輸入，電機振動、噪聲等均符合相關標準要求。技術人員現場檢查發(fā)現電源質量符合電機工作要求；電機在用戶現場經過安裝調試運行也未發(fā)生振動、噪聲異?，F象。因此，電機電源質量問題、電機絕緣老化、接線錯誤和機械故障等異常發(fā)熱原因基本可以排除。

2.2.2 電動機通風散熱分析

本電機帶背包式空空冷卻器，內外風路冷卻介質均為空氣。冷卻風路如圖1所示，圖中單箭頭表示外風路，重疊箭頭表示內風路。

圖1 電機風路示意圖

在電機工作時，內風路中空氣在內部離心風扇的作用下，流經電機定、轉子鐵心風道將熱量帶出，經內部風扇端的冷卻器進風口(電機出風口)進入冷卻器，在冷卻器內通過換熱管與外風路進行熱量交換后冷卻，然后再經冷卻器出風口(電機進風口)進入電機內部循環(huán)。外風路冷風在電機外部軸上的離心風扇作用下進入冷卻器導風筒，流經冷卻器換熱管內部，通過換熱管與內風路熱量交換，吸收熱量后從電機軸伸端的冷卻器尾部排出。

為尋找故障原因，首先我們根據傳熱方程式來分析電機冷卻系統(tǒng)的實際熱交換能力：

Pm=K×A×Δtm

(1)

式中：Pm為熱交換功率，kW；K為冷卻器綜合散熱系數，kW/(m2·℃)；A為散熱面積，m2；Δtm為對數平均溫差，℃。

本電機冷卻器為逆流散熱，其對數平均溫差Δtm可按下式計算：

(2)

式中：Th1、Th2依次為冷卻器熱流體進、出口溫度；tc1、tc2依次為冷卻器冷流體進、出口溫度。

將冷卻器風溫設計參數t1、t2、T1、T2及現場檢測結果t1＇、t2＇、T1＇、T2＇分別代入式(2)，可得：

Δtm設計=22.4 ℃

Δtm檢測=14 ℃

冷卻器換熱面積主要由冷卻管直徑及管數決定。當冷卻器設計制造完畢后，其換熱面積A固定，為常數；在冷卻管直徑及管數確定的情況下，綜合散熱系數K隨風量的增加而增大。假設K值不變，由式(1)可知，此時換熱功率Pm和平均對數溫差Δtm呈線性關系。

如果Δtm下降，則熱交換功率Pm減小，換熱能力下降。本案例中冷卻器實測對數平均溫差遠低于設計對數平均溫差，表明在假定冷卻器綜合散熱系數K保持不變的情況下，冷卻器實際換熱功率只有設計值的60%左右，遠小于設計值。如再考慮綜合散熱系數值K變化，實際換熱功率與設計值差值將更大。因此，冷卻器實際換熱功率偏小，無法將電機內部熱量全部帶出。

冷卻器散熱能力不足一般有以下原因：冷卻系統(tǒng)內風路風量不足；冷卻器散熱面積不足；外風路風量不足或環(huán)境溫度偏高。

經與冷卻器供貨商溝通，此冷卻器設計時已留有設計余量，且已多次與同規(guī)格同型號電機配套使用，未有客戶反映類似問題。隔音室環(huán)境溫度雖遠高于室外溫度，但是仍未超出冷卻器設計時設定的環(huán)境溫度40 ℃。因此，基本可以排除冷卻系統(tǒng)內風路故障、冷卻器散熱面積不足、工作環(huán)境溫度過高的原因。現對外風路風量分析，根據設計數據和現場檢測結果可得風路溫差如表2所示。

表2 冷卻系統(tǒng)風路溫差 K

冷卻器進出風口溫差公式為：

Δto=P/(Ca×Qa)

(3)

式中：Δto為流體進出口溫差；P為風路熱交換功率，kW；Ca為氣體定壓比熱容，kW·s/(m3·K)；Qa為風量，m3/s。

根據式(3)，當P、Ca為定值時，Δto值越大，則表明Qa越小。由表2可知，外風路實測溫差Δt＇比設計溫差Δt要大得多，即在當前實際換熱功率下，外風路風量偏小，不能滿足電機散熱需求。

經查發(fā)現：在現場電機外風路進風口處，電機與用戶風機連接用聯軸器采用薄鋼板制作的U型保護罩進行了安全防護；但幾乎完全遮住了電機外風路進風口，嚴重影響了電機冷卻器外風路進風。至此，基本可以確定電機冷卻系統(tǒng)外風路進風量不足是引發(fā)故障的主要原因。同時，因聯軸器保護罩幾乎完全封死了電機外風路進風口，阻隔了徑向進風空間，大部分進風需流經羅茨風機表面和聯軸器表面，相當于被初步預熱，也影響了進風溫度和冷卻效果。

由于隔音室在電機工作時一般處于封閉狀態(tài)，電機冷卻器排出的熱量及羅茨風機等設備表面輻射熱量均留在室內，僅靠兩小功率風機經小百葉窗換氣，室內環(huán)境溫度遠高于室外溫度。此故障發(fā)生時為冬末，隔音室內溫度已達32 ℃。夏天，電機工作環(huán)境溫度還將會進一步升高。從這個角度來說，在目前的現場工況條件下，要求電機配空空冷卻器是不合適的。

3 故障處理

經分析可知，電機溫升超差主要是因電機冷卻系統(tǒng)外風路進風不暢，風量不足所致。同時隔音室內溫度遠大于室外，降低了熱交換溫度梯度，一定程度上也影響了電機散熱效果。

對此，技術人員建議將電機空空冷卻器改為空水冷卻器， 提升電機冷卻系統(tǒng)散熱能力和散熱效率的同時，徹底避免空空冷卻器外風路進風問題，降低環(huán)境溫度對電機冷卻系統(tǒng)的影響。用戶按建議措施整改完畢后，電機溫升回復正常，問題順利解決。

4 結語

電機的通風散熱過程是一個十分復雜的過程，它受到電機電磁、結構、配套冷卻系統(tǒng)等各種因素影響。本次溫升故障的分析處理，為今后深入研究和改進電機通風散熱設計提供了一個思考方向，也為后續(xù)處理類似問題積累了經驗。

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