温度变化对电机危害的分析及几种解决途径
发布时间：2009-11-05 作者：王静爽, 曹尔晔
0 引 言
电机是不均质体,从电机的构成和材料来看, 由绕组、浸漆、硅钢、钢材、绝缘胶、绑带、氧化膜绝 缘层、涂制绝缘层及加固用绝缘泥、槽楔(木、竹 质或树脂) 、填充绝缘导磁材料等十几种材料组 成,各种材料的温度特性、膨胀系数都各不相同。 因此,电机温度的骤变(骤升或骤降)对电机影响 很大,突出表现在各种材料间由于膨胀系数不同 而出现相对移动,材料间出现间隙、裂缝。电机内 部出现的间隙、空隙、裂缝,人们往往会意识到和 观察到,但并未思考其成因,并因此忽略对它的关 注、管理。久而久之,随着时间的推移,问题会越 积累越多,绕组在定子槽内不能被很好地固定,空 隙大到一定程度,绕组会振动。因为绕组在电能 与机械能的转化过程中受力,其局部振动会加剧 空隙的扩大,同时也加剧电机绕组本身外层绝缘 漆的磨损、脱落,加剧电机耐压和绝缘能力的降 低。这种有害过程发展到一定程度会表现为电机 某一相接地或间歇性接地,更严重的情况是二相 或三相同时有以上情况发生,最严重的情况是通 过电机定子或转子的硅钢片使二相或三相短路, 这种情况一旦发生往往会造成定子或转子严重变 形、烧熔、报废。当然,这种情况少有发生,而经常 出现的情况是由于膨胀系数的不同使得绕组松 动、振动、噪声加大、槽楔脱落,即使被人们发现, 也已经导致电机本身不得不进行大修处理,电机 的使用寿命缩短,大修周期得不到保障。
1 电机呼吸现象产生
本文所提到的电机既包括异步电机、同步电 机,也包括直流电机,既包括电动机也包括发电 机。因此,抛开各种类型电机的特殊性,专门研究 电机的普遍性。
众多材料形成的不均质体(定子、转子)的热 应力随温度变化,每种材质均会按照自己的膨胀 系数随温度变化而膨胀和收缩,有些材料的膨胀 系数是相近或相同的,有些则相差较多,膨胀系数 的差异意味着热应力大小的不同,膨胀系数相近 或相同的材质在一起,热应力相对较小,反之,热 应力会相对较大。理论上讲,只要膨胀系数有差 别的材质在一起,那么温度的变化就会带来热应 力,热应力的大小取决于膨胀系数差别及温度变 化的骤缓,热应力的方向沿电机轴向分为径向胀 缩热应力和轴向胀缩热应力,两种应力在分析时 可作为单个力来分析,但两个力之间也相互关联,相互影响,同时电机定子、转子的各材质间均有这 种应力。例如,电机定子或转子槽与绝缘泥之间, 绝缘泥和填充物之间,填充物和绕组绑扎物之间, 绕组绑扎物和电磁线的外层绝缘漆之间,漆包线 或绕包线的绝缘物质与导电线之间,绝缘泥、填充 物与定子、转子槽楔之间,各种物质制作时形成的 空隙气泡、间隙,以及这些空隙在抽真空浸漆期间 被浸漆充满后各种相邻材质之间等,均存在径向 热应力和轴向热应力。
径向热应力表现为:各种材质当温度上升时 都会膨胀(电机定子、转子没有负温度膨胀的材 质) ,造成较大的材质间各种材质被固定在一起, 有时也会出现膨胀系数较大的材料通过相邻材质 对并不直接相联的材质施加压力。当温度上升较 快时,膨胀系数较大的材质产生较大的向外扩张 热应力,表现为在径向对周围材质形成挤压,并向 束缚力较小的方向扩张,这种力的突出表现是定 子、转子的表面槽楔涨裂、脱落。当温度下降时, 膨胀系数高的材质也收缩较快,在达到一个较低 的温度时,不同材质的物体间因收缩程度不同而 留下空间。这种空间或间隙对电机绕组的后续影 响甚至是致命的。当这种空隙只在材料间存在、 体积也不大时,和外界空气也无法连通,不足以对 电机形成威胁。当空隙积累到一定程度,比如已 和外部空气相通,那么这个空隙就已形成一个气 囊,它就会在以后的岁月中伴随温度的升高、降低 而发生“呼吸现象”。气囊的“呼吸现象”会导致 气囊内的湿度发生变化,湿度的变化又会影响电 机的绝缘指标,这也是现场电机经常出现绝缘忽 高忽低的原因。更严重的情况是当气囊在不断呼 吸的过程中,还会带入空气中的粉尘,从而在电机 内造成不可逆转的绝缘降低。当气囊扩大到某个 程度时,电磁线会在气囊内呈悬空状态。由于电 磁线在电机工作中是受力元件,且受力的大小、方 向随时间在发生变化,这种周期性的变化表现为 在气囊内振动,这种“振动”随时间的积累造成电 磁线外绝缘层的裂纹以及与周围物体的摩擦。长 期对电磁线摩擦的结果,将导致导体绝缘损坏。 如果几个气囊同时发展,同时使绝缘受损、击穿, 最终将导致相间短路,尤其是定子这种短路会导 致定子彻底报废,从而使电机报废,不可修复。轴 向热应力表现为,当电机温度发生变化,尤其是骤 变时,各种材质的物体间除发生径向挤压移动外, 还会在轴向产生移动,这种移动应力最终以摩擦 力的形式出现。物体会因膨胀系数的不同在轴向 产生相对移动,相互间产生摩擦力,这种摩擦力的 大小在温度上升过程和温度下降过程中表现的也 不一样。当电机处在升温过程中,各种材质的物 质均膨胀而相互挤压,在径向上所受的挤压力越 大,那么在轴向上移动所受的摩擦力也越大。摩 擦力越大,则需要绝缘的物体的绝缘指标就越难 以保障。因此,轴向升温过程中的轴向摩擦力也 是一种有害力。当电机处在降温过程中,各种材 质的物体因收缩而相互远离,这种离去会造成物 体间的空隙,空隙的存在,径向挤压力变小,会使 受摩擦力影响的轴向运动的物体间压力减小,摩 擦力也同时变小。因此,在一个升温和降温过程 中,摩擦力(轴向) 、热应力(径向)的变化相辅相 成,按照一定的规律变化。
电磁线在温度变化中无论是漆包电磁线还是 绕包电磁线,其外层绝缘在电机生产过程中也会 受到机械损伤,但这种损伤在电机浸漆和烘干过 程中一般都能得到修复。电机使用过程中的温度 骤变也会对此产生影响。干燥的浸漆绝缘、绕包 绝缘在温度骤降时也会出现裂纹而影响电机总体 绝缘,但这种裂纹在电机温度高到一定程度时,有 时也能自动修复。因此,温度的骤变对电磁线绝 缘有一定的影响。
通过以上对不均质体各材质间热应力的分析 可知,有效控制电机温度的变化速率,如何精细准 确地控制电机温度的变化速率,克服电机随温度 变化而产生的呼吸现象是解决大型电机因温度骤 变而造成损害的根本而有效的途径。通过解决呼 吸现象,避免气囊和组件材质间移动的产生,有利 于延长电机定期检修时间,减少电机拆装,延长电 机使用寿命。
2 电机温度保护机理
对电机进行温度保护,有两个方面的含义:一 方面是电机运行过程中,突然遭遇高电压和低电 压、负载突增等情况,这种情况无疑也会导致电机 温度骤增,这种情况的温度保护一般体现在电机 的继电保护或微护(计算机综合保护)领域。一 般采用的方法是对电机温度设一个报警极限值和跳闸保护极限值。 另一方面,电机的温度保护体现在电机停机 后。电机在停机后一般采取两种方法:一种是置 之不理,电机在停机后不进行停机温度管理;另一 种是在停机后,把预埋在电机定子中的电加热器 全压投入。
第一种方法是一种靠天吃饭的方法,天气气 温适宜,则对电机保护有利,气温越低,对电机保 护越不利,电机温度在停机后较短的时间内降到 很低,温度变化很快。同样,电机起动后要由一个 很低的温度迅速上升到一个较高的温度,温度变 化率也很快,电机内部各物体间的热应力也很大。 因此,这种管理方式下的电机寿命不会很长。
第二种方法是在电机停机后直接把预埋在电 机定子中的电加热器全压投入。这种方法表面上 看,是对电机的温度进行了干预,事实上这种干预 是粗放型的,并不符合精细管理的理念。因为电 机在停机后电加热器即全压投入,虽然对电机实 施了温度保护,但是如果电机需要长时间停机,这 种方法就不可取了。若一直采用加热方式使电加 热器处于加热状态,浪费电能是一个方面,中间若 有停电或电源整修,事实上又造成了二次降温过 程。电机起动前也一样,需人工干预,且温度并没 有按照设想的曲线去升降,仍会有温度变化较快 的情况发生。
理想的温度保护应是细致地控制温度的变 化:在电机停机时,温度不至于降得过快,在电机 起动时,温度不至于升得过快,使温度的变化速度 变得缓慢而适度,使各种材质物体的胀缩变得非 常缓慢并同步胀缩,那么就可以有效地防止电机 温度在停机后这段时间内变化过快,严格按照制 定的曲线去升降。这就是电机温度保护装置在电 机停机后对电机实施温度保护的重要性和机理。 对预埋在电机定子里的电加热器进行有序、精细 和自动的管理便可以实现这种保护。具体控制原 理如图1所示。
图1中温度给定是个专家系统,是经严格测 算和根据国家标准得出的温度随时间变化曲线。 图1的上框图控制过程为:当电机停机时,首 先由电机定子温度传感器测出电机定子温度,另 有环境温度传感器测出环境温度,传输给计算机
作为输入信号,计算机会自动计算电机温度下降 速率。若在某一时刻,电机温度和给定温度曲线 不相符,当温度下降速率快于温度给定下降速率 时,系统会自动起动电加热器,使电机温度回到正 常下降速率上来,系统采用温度闭环控制系统,以 实现准确控制,精细管理。当温度下降速率慢于 温度给定下降曲线速率时,系统会自动停止电加 热器,以达到对电机实施温度保护的目的。
当电机准备开机时,只要人工将计划开机时 间设定好,系统会自动按照设定时间去严格按升 温曲线逐渐升温,以防止电机在起动前从一个很 低的温度起动,快速达到一个很高温度的现象发 生,这种情况也会导致温度变化过快,系统会根据 环境温度和开机时间,自动将电机温度升高到一 个合理的水平,以防止起动后短时间内升温过快。
3 设计装置工作原理
可利用电机自身所带测温元件和加热器件来 完成对电机温差控制。采集正常电机的温度一般 用一只测温元件,另选用一只一进两出的变送器 变送出0～100 ℃对应于4～20 mA或1～5 V的 信号。
系统以环境温度为第二采集信号,两个温度 信号经A /D转换后,由微机对此信号进行专家系 统逻辑判断,判断结果由微机输出控制双向可控 硅接通预埋在电机定子内的电加热器,对电机定 子温度实施可连续控制的管理,以电机定子温度 的变化作为反馈信号,工作原理如图2所示。
通过长期试验,研发出针对电机温升变化而 有效的控制方法和装置,并已申获国家发明和实 用新型两项专利,本项研究还被列入河北省科技 支撑计划,现已在邯郸市星瑞自控设备有限公司 投入生产。
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