《大氮肥》——大型异步电动机轴电流的分析及防范
频道：电机 发布时间：2009-11-10
在大型异步电动机或汽轮机组检修时，如2006年化肥装置空气、合成气、氮气、氨气、二氧化碳五大汽轮机组接地碳刷检修，1998年4月Ⅲ加氢装置原料油泵高压电机抽芯对轴瓦座上电气绝缘的损坏更换，2007年3月对20×104t ／a 聚丙烯装置ABB 的6700 kw的挤压机主电机检修及轴瓦损伤情况检查等发现，检修过程中无论是机械技术人员还是电气专业技术人员，对机组的接地碳刷或滑动轴承瓦座上的电气绝缘情况都不太重视，对由此涉及的轴电流问题也不是很清楚。实际上，大型电机轴承轴电流故障危害极大，会导致轴承的使用寿命缩短，有的运行1～2个月，有的运行几天就会出现噪声和振动。大功率电机一旦出现轴电流，严重的甚至几分钟内轴承就会烧毁，大则导致转轴扫膛。考虑到轴电流对大型电机的影响，有必要对轴电流问题进行分析和探讨。
1轴电压、轴电流的产生
1．1磁路磁场不平衡，有与转轴相交链的旋转磁通存在，产生轴电势交流异步电动机在正弦交变电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交连的交变磁通，从而产生交变电势。当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交连的磁通。随着磁极的旋转，与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。一般情况下这种轴电压小于5V ，大约为1～2V 。磁路磁场不平衡，有以下几种可能的原因：
1)由于某些槽内线圈或导体数或多或少的原因引起。
2)转子运转的不同心，造成定转子气隙分布不均，因此磁路磁阻不均匀。
3)设计及制作工艺方面的原因。如在设计时电动机选择扇形片数与极对数关系不正确；由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。
4)铁芯材料的原因。如果铁芯材料均质性差而且各向异性，则磁路所在区域垂直于磁通密度曰的横截面上曰值分布不均，导致磁路磁阻不均匀。
1．2逆变供电产生轴电压
电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
异步电动机的定子绕组是嵌入定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。而由于电动机磁路的不平衡，静电感应和共模电压产生又是产生轴电压和轴电流的起因。当定子绕组输入端突加陡峭变化的电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中于侵入的端点部位。
此外，由于绕组的电抗较大，输入电压的高频分量将集中于输入端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC 串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。一般通用变频器驱动容量较小的异步电动机时，轴电压的问题可以不考虑，但使用超过200kW 的电动机时，特别是已有的风机、压缩机等进行变频器调速改造的场合，最好事先确认轴电压的大小，以便及早采取预防措施。
1．3静电荷及静电感应产生轴电压
在电动机运行现场，由于高压设备强电场的作用，在转轴的两端感应出轴电压。电动机在运行过程中，负载方面的流体与转体运行摩擦而在旋转体上产生静电荷，电荷逐渐积累便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁交变产生的轴电压在原理上是不同的。静电荷产生的轴电压是间歇的电压，并且是非同期性的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系很大。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。不过，一般静电电流很小，影响不会太大。
1．4外部电源的介入产生轴电压
由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保护、测量元件接线较多，任何一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。
1．5转子绕组发生接地故障
在转子绕组发生接地时，若转轴无绝缘，则构成回路，有接地电流产生。
由以上分析，电动机的轴电压是由于电动机轴的磁路不对称、转子运转不同心、感生脉动磁通等原因产生的。在电动机转子轴两端、轴与轴承之间、轴与轴承对地形成轴电压，从而在轴一轴承一机座的回路中有轴电流流通。根据轴承的种类不同，其耐压程度有所不同，若超过轴承所允许的值，会通过油膜放电或者导电，在轴瓦和轴承处产生点状微孔，并在底部产生发黑现象。严重时会使轴和轴承受到损坏，运行中伴随着强烈的噪声及设备外壳带电等。
2轴电流的危害
大中型交流电动机一般多采用稀油强迫润滑的滑动轴承，电机轴是沉在油膜上的。正常运行时，转轴的旋转在轴承与轴之间挤压出一层厚度极薄的油膜，起润滑、支撑和绝缘作用。对于较低的轴电压，不会产生轴电流。当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜构成回路，因回路的阻抗特别小，故产生相当大的轴电流，可达到几百安培甚至上千安培。由于该金属接触面很小，电流密度大，于是发生类似于火花放电现象，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，严重时足以把轴颈和轴瓦烧坏。油运行摩擦在轴上产生的静电荷，使轴的电位因被充电而升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电。否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压，如果超过轴承油膜的绝缘强度时，电荷会在极短的时间内放电。这种
现象重复发生的结果，就能使轴受到损伤。
较大的轴电流在轴瓦内表面的轴衬上烧成麻点、伤痕乃至裂纹，这种损伤不同于轴与轴瓦之间的异常磨损，而是属于某种物质对轴面进行局部的腐蚀。从腐蚀的情况来看属于点腐蚀，从其它单位的实例看，斑点面积最大的达到10平方毫米，深度达到0．9平方毫米。这样，一方面轴瓦内表面光洁度被破坏，同时应力有所下降；另一方面转子在高速旋转，于是轴瓦与轴之间发生激烈摩擦，短时间内轴瓦上积聚大量热量，引起温度骤升，导致最终的烧瓦事故，若不及时停车，甚至可能发生转子扫膛，转轴弯曲，轴报废的设备事故。
2007年6月，对一台轴瓦声音异常的900kW 高压电机进行解体检查，发现轴瓦的轴绝缘已有所损伤，进一步检查发现电机轴瓦上有较多麻点，其轴电流的点腐蚀痕迹非常明显，如图1。
滚动轴承的情况类似，不过它的内外跑道上可能有洗衣搓板的条形伤痕。其产生的原因如图2所示。滚珠或滚柱在跑道上辗压时，接触电阻很小，并将润滑脂挤向两侧，而当滑动体将离开原位时，便产生了条状痕迹。当后来的滚动体继续向前滚动时，因辗压使伤痕压光、压平，所以跑道表面出现亮光。
3轴电流的防范
针对轴电流形成的原因，可从以下5方面采取措施。
3．1在轴端安装接地碳刷
使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，随时将电机轴上的静电荷引向大地，以此消除轴电流。对大的发电机组或汽轮机组，一般都安装有可靠的接地碳刷装置，检修时要特别注意。
3．2在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板
防止磁不平衡等原因产生轴电流，切断轴电流的回路。以20 X 104t／a 聚丙烯装置的挤压机为例说明。
1)安装轴绝缘层。对于挤压机电机的后轴承，在轴瓦座的轴衬上与轴瓦接触面的两条区域附上一层光滑的塑料绝缘层，是防止产生轴电流的有效措施。采用的绝缘层材料，一般为聚四氟乙烯绝缘膜，其电性能和机械性能较好，具有良好的耐腐蚀、耐老化、耐高低温、耐油、耐水、耐乳化液、强度高、摩擦系数低、抗压缩变形性能优良等特点，它的直流击穿电压可达200kV ／mm ，加工厚度可达几个微米，工作压力可达10MPa 以上，适用于各种频率下的电绝缘。不过，目前这一覆膜技术较为专业，常常是轴承厂的机密技术。
2)切断轴与轴承附件的电气联接。一般情况，对轴承固定销采取外套绝缘措施；对轴密封采用的是绝缘材料；在轴承温度传感器根部采用尼龙塑料材质的安装螺丝，从而使其与轴承基座间为电气绝缘。
3)采用顶起油泵等特殊的措施。挤压机的轴瓦采用强迫润滑，外部配有油站，包括两组共4台油泵。其中一组为随电机运行的润滑油泵，另一组为顶起油泵，其作用是在电机启动前，通过启动顶起油泵建立油压将转轴抬起，在转轴与轴瓦间建立起润滑油膜，电机启动完
成后停运。这组油泵的作用，一方面可以减少电机启动时的摩擦，另一方面也避免了启动时轴电流的产生。
3．3加强绝缘检查
要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘，尤其是大机组的轴瓦绝缘情况。但在实际工作中对绝缘垫的作用认识不足，从绝缘垫加装的方法和轴承座与油管道的连接上都不同程度地出现过问题，最后造成绝缘垫起不到绝缘作用，进而形成轴电流。所以要经常检查轴承座和轴的绝缘强度，用500V 摇表测量，绝缘不得低于0.5MQ 。
3．4．其它接触部件增加绝缘并定期检查
在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括所有装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘，如上述分析中的测温元件与轴承基座问的绝缘等要完好。
3．5保持轴与轴瓦之间润滑绝缘介质油的纯度发现油中带水必须进行过滤处理，否则油膜的绝缘强度不能满足要求，容易被低电压击穿。
4结语
由以上分析可见，轴电流产生原因很多；从轴电流的后果看，其危害性很大。目前国内外使用滑动轴承大型异步电机中，一般采用只在N —END 非负荷端增加轴绝缘的形式防止轴电流。从现场实践看，经以上处理后轴电流已微乎其微，对电动机构不成实质的危害。另外，由此引申的机组安装接地碳刷等也是属此类问题，所以作为电气专业人员一定要特别重视，一旦发现应及时处理，才能避免故障发生，保证装置长期稳定生产。
《大氮肥》——大型异步电动机轴电流的分析及防范
频道：电机 发布时间：2009-11-10
在大型异步电动机或汽轮机组检修时，如2006年化肥装置空气、合成气、氮气、氨气、二氧化碳五大汽轮机组接地碳刷检修，1998年4月Ⅲ加氢装置原料油泵高压电机抽芯对轴瓦座上电气绝缘的损坏更换，2007年3月对20×104t ／a 聚丙烯装置ABB 的6700 kw的挤压机主电机检修及轴瓦损伤情况检查等发现，检修过程中无论是机械技术人员还是电气专业技术人员，对机组的接地碳刷或滑动轴承瓦座上的电气绝缘情况都不太重视，对由此涉及的轴电流问题也不是很清楚。实际上，大型电机轴承轴电流故障危害极大，会导致轴承的使用寿命缩短，有的运行1～2个月，有的运行几天就会出现噪声和振动。大功率电机一旦出现轴电流，严重的甚至几分钟内轴承就会烧毁，大则导致转轴扫膛。考虑到轴电流对大型电机的影响，有必要对轴电流问题进行分析和探讨。
1轴电压、轴电流的产生
1．1磁路磁场不平衡，有与转轴相交链的旋转磁通存在，产生轴电势交流异步电动机在正弦交变电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交连的交变磁通，从而产生交变电势。当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交连的磁通。随着磁极的旋转，与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。一般情况下这种轴电压小于5V ，大约为1～2V 。磁路磁场不平衡，有以下几种可能的原因：
1)由于某些槽内线圈或导体数或多或少的原因引起。
2)转子运转的不同心，造成定转子气隙分布不均，因此磁路磁阻不均匀。
3)设计及制作工艺方面的原因。如在设计时电动机选择扇形片数与极对数关系不正确；由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。
4)铁芯材料的原因。如果铁芯材料均质性差而且各向异性，则磁路所在区域垂直于磁通密度曰的横截面上曰值分布不均，导致磁路磁阻不均匀。
1．2逆变供电产生轴电压
电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
异步电动机的定子绕组是嵌入定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。而由于电动机磁路的不平衡，静电感应和共模电压产生又是产生轴电压和轴电流的起因。当定子绕组输入端突加陡峭变化的电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中于侵入的端点部位。
此外，由于绕组的电抗较大，输入电压的高频分量将集中于输入端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC 串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。一般通用变频器驱动容量较小的异步电动机时，轴电压的问题可以不考虑，但使用超过200kW 的电动机时，特别是已有的风机、压缩机等进行变频器调速改造的场合，最好事先确认轴电压的大小，以便及早采取预防措施。
1．3静电荷及静电感应产生轴电压
在电动机运行现场，由于高压设备强电场的作用，在转轴的两端感应出轴电压。电动机在运行过程中，负载方面的流体与转体运行摩擦而在旋转体上产生静电荷，电荷逐渐积累便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁交变产生的轴电压在原理上是不同的。静电荷产生的轴电压是间歇的电压，并且是非同期性的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系很大。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。不过，一般静电电流很小，影响不会太大。
1．4外部电源的介入产生轴电压
由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保护、测量元件接线较多，任何一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。
1．5转子绕组发生接地故障
在转子绕组发生接地时，若转轴无绝缘，则构成回路，有接地电流产生。
由以上分析，电动机的轴电压是由于电动机轴的磁路不对称、转子运转不同心、感生脉动磁通等原因产生的。在电动机转子轴两端、轴与轴承之间、轴与轴承对地形成轴电压，从而在轴一轴承一机座的回路中有轴电流流通。根据轴承的种类不同，其耐压程度有所不同，若超过轴承所允许的值，会通过油膜放电或者导电，在轴瓦和轴承处产生点状微孔，并在底部产生发黑现象。严重时会使轴和轴承受到损坏，运行中伴随着强烈的噪声及设备外壳带电等。
2轴电流的危害
大中型交流电动机一般多采用稀油强迫润滑的滑动轴承，电机轴是沉在油膜上的。正常运行时，转轴的旋转在轴承与轴之间挤压出一层厚度极薄的油膜，起润滑、支撑和绝缘作用。对于较低的轴电压，不会产生轴电流。当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜构成回路，因回路的阻抗特别小，故产生相当大的轴电流，可达到几百安培甚至上千安培。由于该金属接触面很小，电流密度大，于是发生类似于火花放电现象，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，严重时足以把轴颈和轴瓦烧坏。油运行摩擦在轴上产生的静电荷，使轴的电位因被充电而升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电。否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压，如果超过轴承油膜的绝缘强度时，电荷会在极短的时间内放电。这种
现象重复发生的结果，就能使轴受到损伤。
较大的轴电流在轴瓦内表面的轴衬上烧成麻点、伤痕乃至裂纹，这种损伤不同于轴与轴瓦之间的异常磨损，而是属于某种物质对轴面进行局部的腐蚀。从腐蚀的情况来看属于点腐蚀，从其它单位的实例看，斑点面积最大的达到10平方毫米，深度达到0．9平方毫米。这样，一方面轴瓦内表面光洁度被破坏，同时应力有所下降；另一方面转子在高速旋转，于是轴瓦与轴之间发生激烈摩擦，短时间内轴瓦上积聚大量热量，引起温度骤升，导致最终的烧瓦事故，若不及时停车，甚至可能发生转子扫膛，转轴弯曲，轴报废的设备事故。
2007年6月，对一台轴瓦声音异常的900kW 高压电机进行解体检查，发现轴瓦的轴绝缘已有所损伤，进一步检查发现电机轴瓦上有较多麻点，其轴电流的点腐蚀痕迹非常明显，如图1。
滚动轴承的情况类似，不过它的内外跑道上可能有洗衣搓板的条形伤痕。其产生的原因如图2所示。滚珠或滚柱在跑道上辗压时，接触电阻很小，并将润滑脂挤向两侧，而当滑动体将离开原位时，便产生了条状痕迹。当后来的滚动体继续向前滚动时，因辗压使伤痕压光、压平，所以跑道表面出现亮光。
3轴电流的防范
针对轴电流形成的原因，可从以下5方面采取措施。
3．1在轴端安装接地碳刷
使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，随时将电机轴上的静电荷引向大地，以此消除轴电流。对大的发电机组或汽轮机组，一般都安装有可靠的接地碳刷装置，检修时要特别注意。
3．2在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板
防止磁不平衡等原因产生轴电流，切断轴电流的回路。以20 X 104t／a 聚丙烯装置的挤压机为例说明。
1)安装轴绝缘层。对于挤压机电机的后轴承，在轴瓦座的轴衬上与轴瓦接触面的两条区域附上一层光滑的塑料绝缘层，是防止产生轴电流的有效措施。采用的绝缘层材料，一般为聚四氟乙烯绝缘膜，其电性能和机械性能较好，具有良好的耐腐蚀、耐老化、耐高低温、耐油、耐水、耐乳化液、强度高、摩擦系数低、抗压缩变形性能优良等特点，它的直流击穿电压可达200kV ／mm ，加工厚度可达几个微米，工作压力可达10MPa 以上，适用于各种频率下的电绝缘。不过，目前这一覆膜技术较为专业，常常是轴承厂的机密技术。
2)切断轴与轴承附件的电气联接。一般情况，对轴承固定销采取外套绝缘措施；对轴密封采用的是绝缘材料；在轴承温度传感器根部采用尼龙塑料材质的安装螺丝，从而使其与轴承基座间为电气绝缘。
3)采用顶起油泵等特殊的措施。挤压机的轴瓦采用强迫润滑，外部配有油站，包括两组共4台油泵。其中一组为随电机运行的润滑油泵，另一组为顶起油泵，其作用是在电机启动前，通过启动顶起油泵建立油压将转轴抬起，在转轴与轴瓦间建立起润滑油膜，电机启动完
成后停运。这组油泵的作用，一方面可以减少电机启动时的摩擦，另一方面也避免了启动时轴电流的产生。
3．3加强绝缘检查
要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘，尤其是大机组的轴瓦绝缘情况。但在实际工作中对绝缘垫的作用认识不足，从绝缘垫加装的方法和轴承座与油管道的连接上都不同程度地出现过问题，最后造成绝缘垫起不到绝缘作用，进而形成轴电流。所以要经常检查轴承座和轴的绝缘强度，用500V 摇表测量，绝缘不得低于0.5MQ 。
3．4．其它接触部件增加绝缘并定期检查
在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括所有装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘，如上述分析中的测温元件与轴承基座问的绝缘等要完好。
3．5保持轴与轴瓦之间润滑绝缘介质油的纯度发现油中带水必须进行过滤处理，否则油膜的绝缘强度不能满足要求，容易被低电压击穿。
4结语
由以上分析可见，轴电流产生原因很多；从轴电流的后果看，其危害性很大。目前国内外使用滑动轴承大型异步电机中，一般采用只在N —END 非负荷端增加轴绝缘的形式防止轴电流。从现场实践看，经以上处理后轴电流已微乎其微，对电动机构不成实质的危害。另外，由此引申的机组安装接地碳刷等也是属此类问题，所以作为电气专业人员一定要特别重视，一旦发现应及时处理，才能避免故障发生，保证装置长期稳定生产。