电机轴电流分析与齿轮箱轴电流防范.pdf

冶金动力METALLURGICAL POWER2014 年第 2 期总 第 168 期电机轴电流分析与齿轮箱轴电流防范花成刚，张本练（安徽马钢设备检修工程有限责任公司，安徽马鞍山2 4 3 0 0 0）【摘要】介绍了轴电流产生的原因和解决方案。对马钢高速线材 1 6#预精轧机案例进行了分析。实践证明，轴电流不仅影响电机轴承，更会造成轧机齿轮箱轴承损伤。【关键词】电机；轴电流；诊断；齿轮箱；防范【中图分类号】TM3【文献标识码】B【文章编号】1006-6764(2014)02-0007-04Analysis of Shaft Current of Motors and Preventionof Shaft Current of GearboxesH U AC h e n g g a n g，Z H A N GB e n l i a n(The Equipment Repair Engineering Co.,Ltd.of Masteel,Maanshan,Anhui 243000,China)【Abstract】T h ec a u s e sa n ds o l u t i o n so f s h a f t c u r r e n t w e r ei n t r o d u c e da n dac a s eo f s h a f tc u r r e n ta tt h eN o.1 6f i n i s h i n gm i l lo fM a s t e e l sh i g h-s p e e d w i r er o d p l a n tw a sa n a l y z e d.P r a c t i c eh a sp r o v e dt h a t s h a f t c u r r e n t n o t o n l ya f f e c t st h eb e a r i n g so f m o t o r sb u t a l s od a m a g e st h eb e a r i n g so f g e a r b o x e s.【Key words】m o t o r;s h a f t c u r r e n t;d i a g n o s i s;g e a r b o x;p r e v e n t i o n1 前言在设备运行过程中，如果在电动机两端轴承或与电机转轴相连的轴承间有轴电流的存在，那么对于电机、齿轮箱轴承的使用寿命将会大大缩短。由于转子带电引起轴电流并造成机器元件损伤的情况，较早出现在发电机组，故一般把轴电流形成的原因与电磁效应联系起来。随着大型石油、化工装置，特别是高速轧机机组的应用，轴电流影响轧机机组长周期安全运行的问题越来越突出。轻微的损伤，电机和轴承可能只能运行一千小时左右，严重的甚至只能运行几个小时，给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。2 轴电压和轴电流的产生轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压，其产生原因一般有以下几种：2.1 磁不平衡、不对称产生轴电压电动机由于扇形冲片、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（解决方案：A.磁场对称；B.在电机非驱动端使用绝缘轴承）。2.2 逆变供电产生轴电压电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感图 1 由于磁场不平衡导致过电流(循环电流)7冶金动力METALLURGICAL POWER2014 年第 2 期总 第 168 期应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。2.3 静电感应产生轴电压在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压（解决方案：A.d U/d t 滤波；B.绕组和转子间屏蔽；C.两端轴承均需绝缘；D.转子接地）。2.4 磁化效应产生轴电流对于电机类转子，产生轴电流的原因主要有磁力线分布的不对称效应以及转轴的磁化效应。磁力线分布不对称通常是由于叠片层的不对称的间隙引起的。除电机类转子外，其他设备也会因轴的磁化效应而产生轴电流。轴的磁化效应是转轴由于各种原因而带有磁性，例如转子存在不平衡电流绕组使转轴磁化，焊接、摩擦、碰撞以及电涡流装置均可能使设备带有磁性，并建立起磁场。旋转磁场切割导体，会在这些零件内感应起一定电位，当电位升高到足以击穿油膜时，就形成电流回路。这种电流回路可能穿过整个转子，也可能仅在轴承中或浮环密封中形成局部的短路电流，轴承或浮环中的短路电流又会产生新的磁场，磁化转轴或其他零件。因此，这种磁电相互转换，会在机组内形成很强的磁场，并出现很高的电流（解决方案：A.合适的电缆；B.信号 d U/d t 滤波；C.非驱动端使用绝缘轴承隔断循环电流）。图 2 由于磁场不对称导致过电流(循环电流)2.5 其他原因如静电荷的积累、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（解决方案：A.合适的电缆；B.正确的接地；C.分轴器绝缘；D.两端轴承绝缘）。3 轴电流对轴承的破坏正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能，不会产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过，由于该金属接触点很小，所以这些点的电流密度大，在瞬间产生高温，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。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，所带来的主要后果如下：（1）在放电区域熔化金属粒子，在金属表面形成极微小的电蚀凹坑；（2）凹坑的积聚使表面变得粗糙，失去光泽，如果发生在轴瓦上则会产生纯机械磨损；（3）熔化的金属微粒进入润滑系统，使润滑剂受到污染，整个润滑系统的润滑性能变坏，而且含有大量金属微粒的润滑剂会降低油膜电阻，加速电火花侵蚀的进展；（4）在轴承承载区产生局部高温，破坏油膜，烧坏金属，增加磨耗，最终造成严重的摩擦损坏。在旋转机械的转子系统中，最容易发生电火花放电的部位是径向轴承和止推轴承的承载面、齿式联轴器的工作齿面，这些部位因运行中的多种条件变化（如负荷、温度、润滑状况以及转子振动等），均有可能会使油膜和气隙电阻减小，在这些部位很容易引起电火花放电现象。对于径向滑动轴承，轴承电蚀凹坑的发展会使巴氏合金表面受到严重的腐蚀，这不仅会改变轴承的原有间隙，而且表面光洁度下降还会导致轴承表面的擦伤和擦痕、局部高温和烧伤。高速轻载轴承表面巴氏合金的磨耗会使一部分轴瓦失去作用，转子在旋转时容易诱发油膜涡动，造成转子系统的不稳定。而不稳定的油膜反过来又会引起轴承油膜电阻的急剧下降，使更多的轴电流通过该区域，加剧电火花作用，彼此相互激励，最终导致轴承或轴系系统的损坏。4 解决方法多年来，我们对高速线材轧机机组（包括 1 6#轧机齿轮箱、精轧机增速箱、4#夹送辊增速箱的输入轴）所损坏的圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承，进行了检查和分析，基本都存在轴承内圈、外圈、滚动体上的“搓板纹”损伤，这些均是轧机输入轴有轴电流产生或轴承有过电流的明显现象。我们也正在进行积极的技术改造，防止电机产生轴电流的可能性，以避免重大设备事故发生。为此我们采取了两项改进措8冶金动力METALLURGICAL POWER2014 年第 2 期总 第 168 期图 4 轴承 3 3 0 2 4内外圈损伤照片（左侧为轴承内圈，右侧轴承为外圈）施：（1）为消除轴电压经过轴承、机座与基础等处形成的电流回路，采用接地线将齿轮箱轴承座对地绝缘。（2）为防止电机转轴形成悬浮电位，对电机轴增加接地碳刷，确保转轴通过电刷有效接地。改进效果良好。5 案例分析高速线材预精轧机 1 6 架输入轴圆锥滚子轴承损坏案例：5.1 故障现象及诊断2 0 1 1 年 5 月大修前，通过在线振动监测系统，发现 1 6 架齿轮箱输入轴测点信号异常，包络信号（E N V 3）振动总值已超过主报警值，频谱分析图显示圆锥滚子轴承 3 3 0 2 4（S K F）轴承外圈故障特征频率及其谐波特征明显，见图 3。图 3 检修前 1 6 架齿轮箱振动趋势图及频谱图频谱分析频率 2 0 0 0H z，1 6 0 0 谱线，计算轴承3 3 0 2 4 故障特征频率（转频 R=1 7.3H z，外圈故障频率/转频=1 3.5 9 2）为：外圈故障频率 B P F O=1 7.3 1 3.5 9 2=2 3 5.1 4H z。分析见表 1。表 1 1 6 架齿轮箱轴承故障频率分析该轴承外圈故障频率 1倍频振幅值已达1.4 3 g e，2、3、4 倍频振幅值均达 0.5 g e 以上。包络信号振动总值达 8.8 5 8 g e，分析认为该轴承外圈损伤。结合加速度和包络信号综合分析，可以判断轴承损伤原因为“轴电流”引起的轴承电蚀损伤。5.2 故障处理及改进利用大修时间解体齿轮箱，检查发现圆锥滚子轴承 3 3 0 2 4 内外圈滚道表面存在比较严重的“搓板痕”见图 4。证实为“轴电流”损伤，由于电枢与轴之间通过轴承接地而产生轻微放电，电流在旋转中的轴承滚道和滚动体的接触部分流动时，通过薄薄的润滑油膜发出火花，造成接触表面出现局部的熔融和凹凸现象，其症状就是轴承元件内表面被压出条状电弧伤痕。特征描述故障特征频率/H z误差振幅/g e测量值计算值绝对相对轴承 1 倍外圈故障频率1 B P F 02 4 1.2 5 2 3 5.1 46.1 1 2.5 9%1.4 3 2 3轴承 2 倍外圈故障频率2 B P F 04 8 3.7 5 4 7 0.2 81 3.4 72.8 6%0.6 4 2 7轴承 3 倍外圈故障频率3 B P F 07 2 57 0 5.4 21 9.5 82.7 8%0.8 1 3 2轴承 4 倍外圈故障频率4 B P F 09 6 7.59 4 0.5 62 6.9 42.8 6%0.5 3 9 1为此我们采取了两项改进措施，检修后 1 6 架齿轮箱振动趋势及频谱图如图 5 所示。（1）为消除轴电压经过轴承、机座与基础等处形成的电流回路，采用接地线将齿轮箱轴承座对地绝缘。（2）为防止电机转轴形成悬浮电位，对电机轴增9冶金动力METALLURGICAL POWER2014 年第 2 期总 第 168 期（上接第 3 页）5 技术难点5.1 无功补偿中的涌流及限制运行中为了适应电力系统无功功率和电压变化而需要频繁地操作电容器组，当电容器组投入电网时，将会产生幅值很大和频率较高的冲击合闸涌流。涌流的持续时间一般小于 1 0m s。一般变电站单组电容器组合闸涌流低于 1 0 倍，最高可达 2 0 多倍，频率约为 2 5 0 4 0 0 0H z。大涌流会使开关触头熔化并烧损，当涌流超过开关的最大开合电流时，还会产生过大的电动力和内部压力而使开关损坏;高频涌流超过电容器所允许的涌流极限时，将加速绝缘老化或游离放电，还会使电流互感器一、二次绕组产生过电压而击穿绝缘。为了限制涌流，采取在电容器回路中加串联电抗器或开关加装并联电阻的措施。选用电抗值在 0.1%1%内的小电抗器。5.2 谐波及防护措施电网中有电压和电流两种高次谐波源。电压谐波主要是来自发电机的非正弦电压波形，电流谐波主要来自电路中的非线性阻抗元件，如铁芯饱和的主变压器、整流设备、可控硅和电弧炉等非线性元件引起的电流畸变，相应地产生电压畸变。谐波的防护措施主要有：（1）将发生谐波的设备接到短路容量大的电网，以减少对地区电网的影响；（2）整流装置采用多相整流，减少谐波分量；（3）加装交流滤波器；（4）在电容器回路中，加装串联电抗器，使电容回路对谐波频率阻抗呈感性，从而抑制谐波分量。在为限制合闸涌流和抑制高次谐波的情况下，抑制 5次波为主时，选择 6%的电抗器;抑制 3 次谐波为主时，选择 1 2%的电抗器。5.3 过电压及保护措施电容器的允许过电压和保护措施是电容器输出的无功功率和其有功损耗的与运行电压的平方成正比。当电压超过允许值时，将使电容器过负荷发热而影响其寿命。电容器允许在 1.1 倍额定电压下连续运行。在电容器组设计安装中，应装设过电压继电保护，将运行电压限制在 1.1 倍额定电压以下。充分发挥并联补偿装置的调压作用，电容器组就必须随着电压及负荷的变动进行频繁投切，在开断容性负荷时，由于电容器极板上仍残留电荷，开关触头有可能承受 2 倍的额定电压峰值过电压，当开关触头弧隙绝缘恢复的速度低于恢复电压增长的速度时，则开关弧隙将被击穿而发生重燃，从而产生较高的过电压。重燃过电压及其防护措施有：采用开断电容电流性能良好，具有不重燃特性的高压开关；采用无火花间隙的氧化锌避雷器。6 应用效果2 0 1 3 年 3 月底投运以来，4 6 月份二降压辅站历铁 I 线、历铁 I I 线，七降压历钢 I I 线、韩钢 I I I 线四条进线功率因数均提高至 0.9 5 以上，获济南市供电公司功率因数奖励 2 5 2 万元，平均 8 4 万元/月。收稿日期：20131105作者简介：李兆华（1 9 6 6），女，1 9 8 7 年毕业于山东工业大学电机专业，本科学历，高级工程师，现从事能源开发应用及设备管理工作。图 5 检修后 1 6 架齿轮箱振动趋势图及频谱图加接地碳刷，确保转轴通过电刷有效接地。改造并更换轴承后，输入轴包络信号振动总值降为 1.9 4 g e。同时 3 3 0 2 4 轴承故障特征频率幅值降为 0.0 4 g e 以下。参 考 文 献 1 牛明忠.设备故障的振动识别方法与实例 M .北京：冶金工业出版社，1 9 9 5.2 S K F.S K F 轴承综合型录 M .上海：上海科学技术文献出版社，1 9 9 1.收稿日期：20130910收到修改稿日期：20131106作者简介：花成刚（1 9 6 9 ），男，1 9 9 0 年毕业于马鞍山联大冶金机械专业，工程师，现从事冶金维修工作。!10