某電廠百萬機(jī)組海水冷卻循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制直流供水方式，為凝汽器、閉冷器、真空泵冷卻器、脫硫系統(tǒng)等提供冷卻水。每臺機(jī)組配三臺海水循環(huán)水泵（下文簡稱循泵），兩運行一備用。為實現(xiàn)機(jī)組節(jié)能降耗目標(biāo)，電廠將循泵電動機(jī)改造為雙速電動機(jī)，實現(xiàn)可變速運行。

改造后，三臺循泵電動機(jī)可選擇兩高一低或兩低一高的轉(zhuǎn)速組合運行，運行部門根據(jù)不同季節(jié)時海水水溫變化情況及時改變循泵運行轉(zhuǎn)速組合，并在每天負(fù)荷峰谷不同時段，靈活啟停不同轉(zhuǎn)速電動機(jī)來進(jìn)一步優(yōu)化能耗，通過合理調(diào)控，降低運行電流，提高效率，從而實現(xiàn)節(jié)能。

循泵電動機(jī)在實現(xiàn)雙速運行幾年后，普遍出現(xiàn)電磁噪聲增大、振動增大、電流波動等異?，F(xiàn)象，檢修人員對電動機(jī)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠條普遍存在斷條現(xiàn)象，影響電動機(jī)穩(wěn)定運行，存在嚴(yán)重安全隱患。本文針對循泵電動機(jī)改造后出現(xiàn)的噪聲、振動增大、鼠籠條斷條問題進(jìn)行研究分析，并予以解決。

1 故障現(xiàn)象

1.1 設(shè)備概況

循泵配套電動機(jī)為6kV立式鼠籠式異步電動機(jī)，湘潭電動機(jī)廠制造，原型號為YKSL2700- 16/2150-1W。2012年，電廠通過對電動機(jī)定子線圈改造，循泵電動機(jī)由原來16極、單一轉(zhuǎn)速電動機(jī)改為具有16極和18極兩種轉(zhuǎn)速的雙速電動機(jī)，具體參數(shù)見表1，可在停電時通過變更線圈抽頭接法實現(xiàn)變速。

1.2 故障現(xiàn)象

循泵電動機(jī)雙速改造完運行了約3年后，檢修人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)部分循泵電動機(jī)在運行時存在電磁噪聲變大、振動變大、電流波動增大的現(xiàn)象。

例如在2016年11月，運行中1B循泵電動機(jī)聲音突然變大，振動明顯比其他電動機(jī)大，查看運行狀態(tài)曲線發(fā)現(xiàn)電動機(jī)運行電流也有明顯的波動現(xiàn)象，對比同樣運行工況下的4B電動機(jī)發(fā)現(xiàn)，1B循泵電動機(jī)電流在2min內(nèi)的波動較大，范圍達(dá)到將近15A，而4B循泵電動機(jī)在2min內(nèi)基本穩(wěn)定在同一個電流值，比較平穩(wěn)，如圖1所示。

表1 改造后循泵電動機(jī)參數(shù)

圖1 1B循泵和4B循泵電動機(jī)電流曲線波動對比

當(dāng)時對1B循泵進(jìn)行更換備用電動機(jī)處理，更換后新電動機(jī)基本沒有噪聲，振動及電流波動現(xiàn)象也明顯減低，如圖2所示。

圖2 1B循泵更換電動機(jī)前后電流和振動對比

1.3 停機(jī)檢查

在隨后1B循泵電動機(jī)的解體檢修中發(fā)現(xiàn)：1B循泵電動機(jī)轉(zhuǎn)子大部分鼠籠條有明顯斷口或者裂紋的現(xiàn)象，均出現(xiàn)在端環(huán)處，如圖3所示，多達(dá)50條左右，在后續(xù)對其他循泵電動機(jī)的解體檢查中，也同樣發(fā)現(xiàn)有轉(zhuǎn)子鼠籠條不同程度的開斷現(xiàn)象，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2，斷條位置同樣發(fā)生在鼠籠條根部。

圖3 1B循泵電動機(jī)轉(zhuǎn)子斷條位置

表2 電廠循泵電動機(jī)鼠籠條斷裂情況統(tǒng)計表（不同時間段）

2 原因分析

循泵電動機(jī)故障發(fā)生后，對電動機(jī)運行時出現(xiàn)的電磁噪聲[1]、振動增大和鼠籠條斷條等問題進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為導(dǎo)致電動機(jī)出現(xiàn)大面積鼠籠條斷條的主要原因是：電動機(jī)雙速改造后可能存有電磁共振點，使噪聲變大，并產(chǎn)生共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)部一些薄弱的應(yīng)力焊點脫焊；同時，電動機(jī)在全電壓下多次頻繁起動也可能造成電動機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠條的受應(yīng)力部位損傷斷裂。

下面對此展開具體分析。

2.1 電磁共振

電動機(jī)定子有其固有的振動模態(tài)，當(dāng)電動機(jī)氣隙中的電磁力波的空間階次與定子模態(tài)的空間階次相同，且電磁力波頻率與定子模態(tài)固有頻率相近時，會引起電動機(jī)定子共振。

共振大小與電磁力波幅值及階次有很大關(guān)系，電磁力波引起的機(jī)械振動振幅幾乎與電磁力波階次的4次方成反比。所以，隨著電磁共振的產(chǎn)生，會使定轉(zhuǎn)子上焊接部位出現(xiàn)應(yīng)力疲勞，形成脫焊或者鼠籠條斷條等現(xiàn)象。

因此，通過以下對循泵電動機(jī)進(jìn)行電磁力波及模態(tài)振型計算分析，可以分析判斷循泵電動機(jī)分別在16極和18極下的電磁共振情況。

根據(jù)原電動機(jī)制造廠對原電動機(jī)16極負(fù)載下進(jìn)行電磁力波及模態(tài)振型計算分析，發(fā)現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子槽配合168/204時存在4階、頻率1164Hz、1364Hz的電磁力波，而模態(tài)振型4階、1133Hz、1267 Hz，有共振風(fēng)險，但由于電磁力波幅值都很小，不會產(chǎn)生明顯振動，也不會產(chǎn)生電磁噪聲，也就是說，原單速16極電動機(jī)在振動和噪聲上沒有問題。

本次節(jié)能改造，對電動機(jī)定子線圈進(jìn)行了雙速改速，電動機(jī)更改為16極和18極后，電動機(jī)工作額定轉(zhuǎn)速分別為原來的372r/min（高速）和改造后的333r/min（低速），由于線圈都改動了，諧波會發(fā)生很大的變化，根據(jù)制造廠的試驗數(shù)據(jù)，對18極（低速）時作電磁力波分析，該電動機(jī)電磁力波及模態(tài)分析見表3，部分振型如圖4所示。

表3 18極時電磁力波及模態(tài)

圖4 模態(tài)振型

從表3看出，模態(tài)振型4階1133Hz（幅值1029帕），有一個完全對應(yīng)的力波頻率也為1133Hz，存在共振現(xiàn)象，影響較大，并且不同階次中有一系列不同幅值的電磁力波1033Hz、1133Hz，模態(tài)中也有相同階次、相近頻率的振型與之對應(yīng)，構(gòu)成共振的條件。

雖然力波幅值較小，影響有限，但當(dāng)整個電動機(jī)在共振條件下，電動機(jī)薄弱環(huán)節(jié)會由于振動而斷裂；或者隨著共振使得焊接部位越來越不牢固，由此分析：端部斷條一部分原因應(yīng)該是電動機(jī)低速運行下產(chǎn)生的電磁力共振。此結(jié)論通過運行實踐中使用MDSP3型鼠籠式電動機(jī)故障儀檢測也得到一定的驗證。

在電動機(jī)正常運行時，電廠通過MDSP3型鼠籠式電動機(jī)故障測試系統(tǒng)對#3、#4號機(jī)循泵6臺電動機(jī)進(jìn)行在線檢測，發(fā)現(xiàn)在低速狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂故障癥狀表現(xiàn)比高速狀態(tài)更為明顯，說明電動機(jī)在低速時可能產(chǎn)生的振動及斷條更明顯。

MDSP3型儀器是通過獲取故障電動機(jī)的電流分量進(jìn)行頻譜分析，因為在理想情況下，異步電動機(jī)定子電流的頻率是單一的，即只含有50Hz的電源頻率，但是當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條時，定子電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生了高次諧波分量，定子電流的頻譜圖將會發(fā)生變化，在與電源頻率相差2倍轉(zhuǎn)差率的頻率（±2sf1）處各出現(xiàn)一個邊頻帶。

檢測電動機(jī)電流信號中在電流頻率（50Hz）以及邊帶頻率（±2sf1）范圍內(nèi)兩者間的平均幅值差（dB）可用作評估電動機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠條健康的狀態(tài)指標(biāo)。

電廠對#3、#4號機(jī)循泵電動機(jī)進(jìn)行電動機(jī)故障診斷后，檢測基本情況見表4。

表4 使用故障測試儀測量6臺循泵電動機(jī)的情況

檢測中發(fā)現(xiàn)高速運行的循泵電動機(jī)頻譜都比較正常，例如3A電動機(jī)，如圖5所示，低速運行的3C、4C循泵電動機(jī)頻譜均診斷出有不同程度的故障，例如4C電動機(jī)，如圖6所示。2臺電動機(jī)鼠籠繞組頻譜圖分別反映電動機(jī)可能存在不同程度的鼠籠條高阻接點或裂紋，嚴(yán)重時可造成鼠籠條斷裂，因此可驗證在低速狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂故障癥狀表現(xiàn)更為明顯，充分說明電動機(jī)低速時內(nèi)部可能存有較大共振影響。

圖5 3A循泵電動機(jī)正常頻譜圖（正常）

圖6 4C循泵電動機(jī)鼠籠條斷條時頻譜圖（故障）

2.2 頻繁起動

為實現(xiàn)節(jié)能降耗，運行部門每天根據(jù)負(fù)荷及工況需求經(jīng)常對循泵進(jìn)行起停變換運行方式。根據(jù)運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，在某些月份，同一臺循泵電動機(jī)每月的起停能達(dá)到30次以上。

根據(jù)三相異步電動機(jī)起動原理，全壓起動時大電流在電動機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大的沖擊力，由于循泵電動機(jī)在全電壓下頻繁起停，會引起電動機(jī)內(nèi)部電磁、機(jī)械及熱應(yīng)力的變化，容易造成轉(zhuǎn)子鼠籠條疲勞損傷。

轉(zhuǎn)子在整個運轉(zhuǎn)過程中，會受到離心力、轉(zhuǎn)子加速過程中在端環(huán)和鼠籠條接觸面形成的剪切力、熱脹冷縮、鼠籠條在鐵心中松動而引起的振動力等影響，頻繁起停會使鼠籠條和端環(huán)接觸面反復(fù)受力，疲勞損傷，乃至斷裂。

通過現(xiàn)場檢修檢查情況及起停數(shù)據(jù)比較，起停越頻繁的電動機(jī)，轉(zhuǎn)子鼠籠條的斷裂情況一般更為嚴(yán)重。雖然高壓電動機(jī)每天一兩次起動不能算多，但如果制造廠按照S1（連續(xù)運行）工作制設(shè)計，沒有充分考慮高壓電動機(jī)頻繁起停的需求，在轉(zhuǎn)子制造上沒有采用滿足頻繁起停的加強(qiáng)措施，對轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂有一定影響。

3 整改措施

根據(jù)以上分析，電磁共振和電動機(jī)在全電壓下的頻繁起停是導(dǎo)致循泵電動機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂的重要因素，但考慮機(jī)組運行需求和實際成本，針對電磁共振帶來的影響對電動機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造的難度較大，同樣在當(dāng)前電廠節(jié)能要求形勢下，減少電動機(jī)起停次數(shù)是不現(xiàn)實的。

所以，采用對轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢修改造、工藝改進(jìn)等形式來防止轉(zhuǎn)子在運行中發(fā)生鼠籠條斷裂，滿足循泵電動機(jī)頻繁起停的工況要求，改進(jìn)措施主要如下。

3.1 鼠籠條根部加強(qiáng)，提高鼠籠條的機(jī)械強(qiáng)度

由于端部斷條與電磁力共振相關(guān)，同時頻繁起停時，鼠籠條伸出鐵心段的質(zhì)量會產(chǎn)生離心力，端環(huán)的慣量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切線方向的力，鼠籠條反復(fù)頻繁受力，易疲勞斷裂。

為降低這些因素共同對鼠籠條根部的影響需提高鼠籠條根部的機(jī)械強(qiáng)度。由于轉(zhuǎn)子鐵心槽形已定，增大鼠籠條截面來增大強(qiáng)度方法已基本不可能，因斷裂點在鼠籠條與端環(huán)的接觸部位，采用鼠籠條旁增加一塊與鼠籠條尺寸相同的短片一并焊成一體，等于該處的鼠籠條截面增加一倍，強(qiáng)度增強(qiáng)一倍，起到一個加強(qiáng)筋的作用，如圖7所示，同時可以減少電磁共振影響。

圖7 導(dǎo)條根部加強(qiáng)，增加限位條

3.2 增加限位條，防止轉(zhuǎn)子籠下垂，造成鼠籠條根部松動

為防止轉(zhuǎn)子籠下垂移位，造成鼠籠條根部松動，在轉(zhuǎn)子鼠籠的兩端，端環(huán)與鐵心間距中均勻分布4～6塊限位條，保證端環(huán)與鐵心的間距尺寸，限位條也可增大鼠籠條強(qiáng)度功能，限位條一并焊入端環(huán)，如圖7所示。

3.3 增加鼠籠條壓坑，防止鼠籠條在槽內(nèi)產(chǎn)生振動

鼠籠條在鐵心槽中存在間隙，原轉(zhuǎn)子雖采用了壓坑脹緊措施，但原壓坑點少且偏中部，槽兩端的鼠籠條由于電動力、動不平衡及其他多種原因，鼠籠條在鐵心槽中振動，振動幅值很小，但頻率較高，在鼠籠條根部表現(xiàn)為振動頻率較高的振動力。

因此，增加在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的鼠籠條上壓坑，作用是讓鼠籠條向轉(zhuǎn)子鐵心槽二邊擴(kuò)脹頂住槽壁，防止鼠籠條在槽內(nèi)松動引起振動，壓坑由2個增加至6個，沿鐵心長度均勻分布。

3.4 增加端環(huán)厚度，減少端環(huán)溫升

轉(zhuǎn)子兩側(cè)端環(huán)厚度由原36mm增厚為40mm，增大端環(huán)熱容量及降低端環(huán)電流密度，有利降低端環(huán)與鼠籠條接觸面的起動過程溫升，間接增大了鼠籠條機(jī)械強(qiáng)度，端環(huán)截面增大，電阻減小，有利于轉(zhuǎn)子銅損減小。

3.5 提高端環(huán)的同心度，減小端環(huán)的晃動力

當(dāng)存在端環(huán)的偏重、端環(huán)與軸中心的不同心等原因時，旋轉(zhuǎn)時端環(huán)產(chǎn)生動不平衡晃動，由于鼠籠條在鐵心槽中相對固定，晃動力就作用在鼠籠條根部，晃動力基本為徑向，動不平衡量越大，晃動力也越大。

立式電動機(jī)可能存在轉(zhuǎn)子籠下垂移位現(xiàn)象，造成端環(huán)與鐵心的間距上小下大，下端的晃動力會增大。因此，在端環(huán)焊接工藝完成后，原切削加工端環(huán)的外圓和外端面，改進(jìn)增加端環(huán)內(nèi)圓面切削，提高內(nèi)圓同心度，相應(yīng)降低了端環(huán)的動不平衡量，減小端環(huán)的晃動力。

3.6 改善鼠籠條焊接工藝，采用整體熔焊

焊接工藝質(zhì)量會造成焊接內(nèi)應(yīng)力問題，鼠籠條與端環(huán)的焊接老工藝為逐根焊接，焊接過程端環(huán)各部溫度不均勻，金屬結(jié)晶組織發(fā)生變化，焊后又未進(jìn)行熱相處理，致焊接部分存在無定向內(nèi)應(yīng)力。

因此改善焊接工藝，逐根焊改成整體熔焊，全部鼠籠條與端環(huán)一次焊成，為保證鼠籠條與端環(huán)的良好接觸，鼠籠條插入端環(huán)的深度不小于5mm；鼠籠條的端面加工成多齒形，增加接觸面積；焊料為銀銅焊條，整個端環(huán)整體加熱，全環(huán)加熱溫度均勻，如圖8所示。焊接完成后采用保溫工藝，使溫度緩慢下降，大幅降低殘余內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)鼠籠條的應(yīng)力強(qiáng)度。

圖8 焊接端面圖

通過以上措施對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)和改進(jìn)后，目前電動機(jī)已正常運行了幾年時間，暫未再發(fā)生鼠籠斷條情況，改進(jìn)后電動機(jī)運行工況也有明顯好轉(zhuǎn)。例如1A循泵電動機(jī)，修前工況是在泵出口壓力平穩(wěn)的狀態(tài)電動機(jī)電流波動跳躍現(xiàn)象較嚴(yán)重，在電動機(jī)轉(zhuǎn)子改進(jìn)修理后，在泵出口壓力平穩(wěn)的狀態(tài)下電動機(jī)電流也趨于平緩，如圖9所示，說明本次對轉(zhuǎn)子的加工改造措施是有效的。

圖9 1A循泵修前修后電流和出口壓力曲線相關(guān)性對比

4 改造后運行狀況

通過以上措施對循環(huán)水泵電動機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行工藝改進(jìn)，根據(jù)運行4年來對電動機(jī)修后的狀態(tài)監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

以#1機(jī)循泵A電動機(jī)運行狀況為例，采集其振動頻譜，分別如圖10、圖11所示，1A循泵電動機(jī)側(cè)驅(qū)動端水平振動0.723mm/s，軸向振動0.778mm/s，peakvue數(shù)值為0.739，水泵側(cè)振動為0.240mm/s，振動數(shù)值良好，振動頻譜無異常現(xiàn)象。

通過MDSP3型儀器對1A循泵電動機(jī)在低速時進(jìn)行鼠籠條故障診斷，數(shù)據(jù)見表5，診斷頻譜如圖12所示，診斷結(jié)果無鼠籠條斷條現(xiàn)象。

圖10 1A循環(huán)水泵電動機(jī)修后驅(qū)動端peakvue圖

圖11 1A循環(huán)水泵修后振動頻譜

表5 使用故障測試儀測量1A循泵電動機(jī)的情況

圖12 1A循泵電動機(jī)修后鼠籠繞組頻譜

根據(jù)對1A循泵電動機(jī)修后運行4年后的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，該電動機(jī)在振動頻譜、轉(zhuǎn)子鼠籠條繞組頻譜等多方面的分析，均未再次出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

5 結(jié)論

電動機(jī)雙速節(jié)能改造，雖增加了經(jīng)濟(jì)效益，但也帶來電動機(jī)可靠性的新問題。電動機(jī)雙速節(jié)能改造，不應(yīng)只考慮定子線組改造，還需了解不同轉(zhuǎn)速下電動機(jī)固有共振頻率的不利影響，并采取措施避免。

對于有頻繁起停需求的高壓電動機(jī)在定貨時一定要有工作制說明，制造廠在轉(zhuǎn)子的制造工藝上應(yīng)采取必要的加強(qiáng)措施，以確保滿足電動機(jī)頻繁起停的需求。同時要加強(qiáng)對起停頻繁電動機(jī)的監(jiān)控，通過有效的軟件儀器采集電動機(jī)振動頻譜進(jìn)行分析，可以提前發(fā)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子斷條等隱性缺陷。