第四章电动机故障分析.docx

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第四章电动机故障分析

第四章电动机故障分析

第一节电机的运行与外界条件的影响

电动机的运行受很多因素的影响，归纳起来有安装地点和周围环境的影响：

地基或安装基础的影响。

图4-1是这些因素对电机运行影响的示意图。

这些因素造成了对电动机运行的干扰，在极端的条件下将使电动机出现故障现象，甚至无法运行。

这些因素对电动机运行的干扰分述如下。

一、电网和电源的影响

图4-1影响电动机运行的因素

电网和电源除向电动机输入电功率外，同时伴随而来的有些因素却给电动机运行带来干扰，如电网的电压和频率波动。

当电压过低时，重载的异步电动机会因堵转而烧毁。

快速开关或油开关切断时产生的浪涌电压或操作过电压，会造成过电压击穿，雷击过电压同样会使绝缘系统因过电压而击穿。

电源中的谐波分量会造成换向困难和交流电机谐波转矩的增加。

这些都会对电动机运行产生不利影响。

二、负载性质和负载机械的影响

电动机在铀伸端输出机械功率，必须要满足工作机械要求，包括过渡过程所需加速力矩或制动力矩。

但电动机也受到来自工作机械的反力和附加力矩的影响，在安装时不对中，联轴节调整不当，以及由于冲击负荷引起的扭振等，都会从抽伸端输入附加力和交变力矩，影响电动机运行，使电动机产生振动。

三、安装环境和场所的影响

电动机在运行时，向周围空间发散热量和噪声，但是环境温度、湿度、海拔高度以及电动机安装场所的粉尘、有害气体、盐雾、酸气等，对电动机的运行也将产生影响。

四、地基或基础的影响

电动机向工作机械传输的转矩和电动机自重必须由地基或基础来承受，由铀伸传入的工作机械附加力和力矩，合闸、拉闸时出现的冲击力矩，也通过电动机的机座传到地基。

但是，电动机也常常会受到来自地基的反作用力，如因基础振动冲击使电机受到影响。

第二节运行条件与电机故障

一、电动机的正确选型和使用

电动机的安全运行是以正确选型和使用为前提的，当电动机在其额定数据和技术条件规定范围内运行，电动机是安全的；电动机运行超过规定范围，可能会出现不正常征兆，甚至发生事故。

电动机的技术条件规定了它的适用环境条件，负载条件和工作制。

电动机选型是最重要的。

电动机的类型、结构型号、防护方式、容量和转速的选择，必须根据负载机械的性质、转矩、转速和起、制动与加速要求来确定．电动机的选型必须满足使用要求，特殊用途和运行条件的电动机，必须专门设计和特殊工艺处理以适应特殊要求。

电动机造型同时也应考虑经济合理性。

例如不用要调速和经常起动的负载机械，如水泵、风机、皮带运输机和小型机床等，可用异步电动机来驱动，不但价格便宜，而且使用，维护方便；对于不需要调速、长期工作或重载起动的负载机械，如球磨机、大型空压机、不调速轧钢机，可选用大型同步电动机来施加，其特点是过载力矩大，运行稳定，有利于改善功率因数；对于需要正反转和调速的轧钢机、经常发生堵转的电铲和颠繁起、制动的矿山倦扬机等，均需采用调速性能好、控制性能好、能迅速正、反转的直流电动机。

二、故障与运行条件

恶劣的环境和苛刻的运行条件．以及超过技术条件所规定的允许范围运行，往往是直接导致故障的起因。

例如电动机因过载会导致温升过高而烧毁；环境湿度过高往往会使绝缘受潮而绝缘电阻降低，泄漏电流增加，甚至发生击穿；湿度过低又常常造成直流电动机电刷噪声和换向火花加大；电网电压过低也会使电动机堵转或过热而烧毁，快速开关动作时的浪涌电压可能会导致绝缘击穿；多次连续起动往往会导致同步电动机阻尼绕组开焊或断条。

运行条件不适合导致各种故障，可参见表4—1。

三、运行条件对各类电动机的影响

运行条件对各类电动机产生的影响和结果是不同的，例如频繁起动对直流电动机影响不大，而同步电动机和异步电动机在通常情况下是不允许的，会产生各种故障；电压降低对直流电动机不致造成过大威胁，而对交流电机则危害甚大；湿度变化、环境污染对交流电机影响较小，而对直流电动机会产生很大影响，由于不同类型电动机运行原理和特点不同，易产生效障的部位也不相同，见表4-2。

第三节电动机故障的机理与征兆

电机运行中由于不同因素起作用，有一些结构、部件会逐渐劣化，逐渐失去原有性能相功能，电动机就会暴露出一些不正常的状态，诊断技术是要通过各种检测技术，测定出能反映故障隐患和趋向参数，从中得到预警信息。

进一步通过信息分析对电动机故障程度和起因有一个准确判断，能及时和有效的对电动机进行维修、排除故障，以实现电动机的预知维修，而不致影响生产。

但是检测技术只能测出各种参数，而且有些参数不是直接反映事故的一次参数，而是间接反映事故的二次参数，因此，故障认别必须有大量经验积累，形成一个数据库和专家系统后，才有较高的可靠性。

同时故障识别必须对诊断对象的各种性能、结构、各种参数非常熟悉。

为了对电动机的故障能作出准确的判断，这里先介绍电动机各部分可能产生的故障，其发生原因、故障最初征兆，了解这些具体内容，特有助于准确判断各种故障。

表4-3是常见的电动机故障起因与征兆。

表4-1运行条件引起电动机故障

表4-2电动机易产生的故障

表4-3电动机故障起因及征兆

第四节电动机故障原因的分析

一、定子铁心的故障

（1）定子铁心短路，大部分发生在齿顶部分，常见于异步电动机和高速大容量同步电动机中。

交流电动机定子铁心中磁通是交变的，铁心中的磁滞损耗。

祸流损耗及表面磁通脉摄损耗都将使铁心发热，为了减少定子铁心的铁损，通常都将定于冲片两边涂有绝缘层以形成隔离层，以减少铁损。

因此，大容量的和重要的交流电机，在定于铁心叠装后必须进行铁损试验，检查硅钢片的质量和铁心是否存在局部过热的短路现象。

由于异步电动机气隙小，装配不当，轴承磨损，转轴弯曲及单边磁拉力等原因，都可能造成定、转子相擦，使定子铁心局部区域齿顶上绝缘层被磨去，并因毛刺使片间相连，至使涡流损耗增大而局部过热，甚至危及定于绕组。

由于局部高温造成绝缘物热分解，能闻到绝缘挥发物相分解物的气味。

而电动机此时往往出现空载电流加大，振动和噪声增大，有时能发现机座外壳局部部位温度高，发现以上情况应及时停机检修。

由于大型高速同步机冲片涂漆质量、铁心表面副伤等原因，也会导致铁心局部发热，使定于绕组在发热部位因过热而损坏。

（2）定于铁心松动。

往往是由于制造时铁心压装不紧，或定子铁心紧固件松脱或失效时发生，其主要征象是电磁噪声增加，特别是在起动过程时的电磁噪声，振动大是铁心松动的另一征象，铁心松动故障不但使电机的噪声使人难以忍受，长期存在将导致绕组绝缘因振动大而大大缩短寿命。

二、绝缘故障

1．绝缘故障规象

电动机备部分绝缘都是由不同绝缘材料，经过各种处理组合成的绝缘，各部分的绝缘结构组成了电动机的绝缘系统。

但是无论是机械强度、耐热性、对环境的抵抗能力以及耐久性等方面，绝缘系统都是电动机结构中较薄弱的环节，其发生故障的几率也较高，老化、磨损、过热、受潮、污染和电晕都会造成绝缘故障。

（1）老化。

电机的绝缘结构，运行中由于长期的高温，机械应力、电磁场、日照、臭氧等因素的作用，发生了种种化学和物理变化，使其机械强度降低，电气性能劣化，如失去弹性，出现裂纹，泄漏电流增加，介质耗损增加，击穿电压降低等，这些都是老化现象。

（2）磨损。

绝缘结构由于电磁力的作用和机械振动等原因组问、绕组与铁心、固定结构件之间会发生位移和不断摩擦，使绝缘局部变薄、损坏。

（3）过热。

绝缘材料和绝缘结构中，由于内部挥发成分的放出，氧化裂解，热裂解等化学、物理变化，生成氧化物，使绝缘层变硬，发脆、出现裂纹、针孔，而导致机械和电气性能的降低。

（4）受潮。

绝缘材科和绝缘结构中有许多强极性物质，分子中含有oH基的有机纤维材料，以及组织疏松，多孔状材料。

而另一方面因水分子尺寸和粘度很小，能透入各种绝缘材料的裂纹和毛细孔，溶解于绝缘油和绝缘漆中。

水分子的存在使绝缘结构的漏导电流大大增加气性能大大降低。

（5）污染。

绝缘结构的表面和内部，存在不少裂纹、针孔和微泡，当导电性尘埃或液体粘结在绝缘层的表面或渗入裂纹和针孔时，构成了很多漏电通道，使漏导电流大大增加，降低了绝缘可靠性。

（6）电晕。

当定子电压较高，电机环境海拔高度较高时易发生。

高压电机定子绕组在通风槽口和端部出槽口处，绝缘表面电场分布是不均的，当局部场强达到临界值时，空气发生局部电离（辉光放电现象），在黑暗时就能看到兰色莹光，这就是电晕现象。

电晕产生的热效应、臭氧和氮的氧化物都会对绝缘产生腐蚀现象，使局部绝缘层很快消蚀，耐压强度降低。

。

2．电动机绕组的故障

（1）绕组绝缘磨损。

是由于绝缘收缩和电动力的作用造成的。

长期高温作用，绝缘层内溶剂挥发等原因，使而槽楔、绝缘衬垫、垫块因收缩而尺寸变小，绑扎绳变得松弛，线圈和槽壁、线圈与垫块、线圈与固定端箍之间都产生了间隙，在起动、冲击负载引起的电动力的作用下，将发生相对位移，时间久了就会产生磨损，使绝缘变薄。

其伴随征兆是槽楔窜位，绑扎垫块脱落，端部绑扎松弛，端部振动增大，检查时可发现绝缘电阻降低，泄漏电流增加耐压水平明显降低。

（2）绝缘破损。

通常是线圈受到了碰撞，或转子部件脱落碰刮导致绝缘局部损伤，运行时往往表现为对地击穿。

‘

（3）匝间短路。

高压定子绕组为了减少附加铜耗，通常在股线间需要换位（罗贝尔线棒）。

在制造过程中，线圈的压型和换位工序操作不当时，易造成匝间短路。

匝间短路使绕组三相阻抗不相等和三相电流不对称，电流表指针梅出现摆动，使电动机振动加大。

在短路匝线圈温升较高时，往往会使线圈表面变色，或线圈局部过热，绝缘在高温下分解，甚至产生局部放电现象。

（4）绝缘电阻降低。

多数情况是由于绕组吸潮或导电性物质粘结在线圈表面，或渗入绝缘层的裂纹所致。

交流电动机定子绕组和直流电动机的电枢、主极、换向极，补偿绕组都会产生这种故障。

绝缘电阻降低到不允许程度，一般吹风和清擦已难奏效，往往需拆卸电机．用专用清洗剂清洗，干燥、浸漆后方能恢复。

滑环绝缘层、换向器、换向器v形环端部、转子并头套绝缘都是裸露带电导体的对地绝缘，绝缘结构除考虑耐压强度外，还必须考虑一定爬电距离。

当爬电距离过短或表面粘结污垢后，这些部分的绝缘电阻值，也往往会低于允许标准。

三、异步电机转子绕组故障

（1）断条和端环开裂。

鼠笼式异步电动机在起动时，绕组内短时间流过很大电流，不仅承受很大冲击力，而且很快升温，产生热应力，端环还需承受较大离心应力。

反复的起动、运行、停转，使笼条和端环受到循环热应力和变形，由于各部分位移量不同，受力不均匀，会使笼条和端环因应力分布不均匀而断裂。

另外，从电磁力矩来看，起动时的加速力矩，工作时的驱动力矩是由笼条产生的，减速时笼条又承受制动力矩，由于负载变化和电压波动时，笼条就要受到交变负荷的作用，容易产生疲劳。

当笼型绕组铸造质量、导条与端环的材质相焊接质量存在问题时，笼条和端环的断裂、开焊更易发生。

笼条、端环断裂的征象是电动机起动时间延长，滑差加大，力矩减少，同时也将出现电动机振动和噪声增加，电流麦指针出现摆动等现象。

（2）绕线型转子绕组击穿、开焊和匝间短路。

绕线型异步电动机需通过滑环串入电阻器进行起动和调速，和笼型异步机不同的是，它的条形绕组对地和相间必须是绝缘的，由于转子铁心在设计时大都采用半闭口槽，制造时卷包绝缘的条形绕组，从一端插入槽内后，另一端需弯折、排列成形方可接线，两端再用并头套连接起来，焊接后由连接线与滑环相接，在这个制造过程中，绝绿层易受机械损伤。

而绕线型转子绕组在电动机起动时，开路电压较高，当滑环与电刷接触不好时，受过机械损伤绕组相连接线容易击穿。

当重载起动或负荷较大时，过大的起动电流和负载电流不仅使绕组温升升高，而且也会使井头套发生开焊、淌锡或发生放电现象；另外，转子绕组并头套之间的间隙中，易积存碳粉等导电性粉尘，易产生片问短路现象，绕线型异步电动机在外接三相调速电阻不等时转子三相绕组也会出现三相电流不平衡现象，往往出现某相绕组过热现象。

四、转子本体的故障

转子是电动机输出机械功率的部件，工作时往往承受各种复杂和交变的应力，如离心力、电磁力、热应力、惯性力和附加强追振荡力、容易出现各种各样的故障。

转子上零件的脱落和松动造成转子失伤，转子伯心产生不对称磁拉力，转铀弯曲，轴颈椭圆等等原因，都将导致电动机振动增加。

冲击性载荷在电动机相负载机械构成的弹性惯量系统中会激发起扭转振荡，使转于结构部件和转抽因高交变力矩而疲劳。

第五节电动机异常情况的检查

为了确诊故障，在修理之前应对被修电动机作一次系统检查，下面介绍这种检查的方法。

1．通电前的检查

（1）绝缘检查统缘检查就是用摇表（兆欧表）测量三相绕组之间及对地的绝缘电阻。

按照电动机的基本技术要求，额定电压越高的电动机，绝缘电阻应越大。

最低的标准是“每千伏1兆欧（MΩ）”，就是说，额定电压为一千伏的电动机，绝缘电阻至少要有l兆欧。

按照这个标准，额定电压为380伏的电动机，绝缘电阻只要0．38兆欧就够了。

看起来这个标准很低，许多旧电动机（包括受过潮的）似乎都可能达到。

但要注意一点，就是这项规定是指电动机在热状态（75℃），而同一电动机的绝缘电阻在75℃时比在室温下要低很多。

例如当室湿为26℃时，绝缘电阻等于75℃时的30倍。

因此，为了在75℃时绝缘电阻不低于0．38兆欧，在26℃时测得的电阻值就不能低于30x0．38兆欧（即11．4兆欧）。

一般地说，设在t℃时测得的绝缘电阻值为R（t）．则75℃时的阻值R（75）可按公式计算：

R（75）＝R（t）/K

式中，K叫做折合系数，其值由温度t确定，见表4—4

表4-4折合系数

旧电动机绝缘电阻达不到最低要求的常见原因是受潮。

对这种电动机至少应该进行烘干，待绝缘电阻合格后方可使用。

如果测相间绝缘（或对地绝缘）时兆欧表指到零值，就说明电动机有相间短路（或对地短路）。

这时要拆开电动机仔细检查。

（2）测量每相电阻因为每相电阻很小，所以最好用电桥测量。

正常电动机的三相电阻应非常接近。

其目的是发现比较严重的匝间短路；发现绕组断路。

一相绕组全断时，电阻为无限大，两根并绕或两路并联电动机断一根或一路时，该相电阻为正常值的两倍；积累一项数据，必要时可以用它（配合其他数据）来计算电动机的性能。

如果没有电桥，对小型电动机也可以用万用表的欧姆档（×1档）作不太精确的测量（因小型电动机电阻较大）。

（3）初步机械检查主要检查转轴是否灵活。

如果根本转不动或转动非常吃力，就不宜进行通电试验（否则转不起来会导致电流太大），应该找出原因，先行排除。

如果转轴基本上灵活，而且前两项检查也合格，就可以进行通电试验。

2.通电试验

主要进行两个试验。

（1）空载试验给电动机加上额定电压，让它不带负载地空转，测量定子的三相电流（叫做空载电流，记作I。

）、细听噪音并观察电动机的其他表现，如有无过热、冒烟或绝缘漆味等。

为方便起见，一般测量的都是定子的线电流，如图4—2所示。

由于电源三相电压及机内三相绕组不可能完全对称，三相电流总会有些偏差。

如果偏差在l0％以内，大致可以认为合格。

如果偏差超过10％，就要怀疑机内存在电磁故障，应设法进一步判断。

图4-2空载电流的测

10％这个界限是比较笼统的。

有时电源电压严重不对称，机内虽然没有故障，I。

的偏差也可能超过10％。

反之，某些电磁故障与电源电压的不对称配合起来，也可能使I。

的偏差在10％以内。

因此，为慎重起见，可采用如下的“换头法”进一步试验：

对于星接电动机，把电流最大和最小的两根相线交换，如果两个电流表读数基本不变（图4一3b），说明电流的偏差是由于电源电压不对称或电流表不准所致，机内并无故障。

如果电流表读数互换（图4—3c），则说明机内或多或少存在电磁故障，至少是三相绕组存在不对称性（例如匝数不等），应进一步追查。

当电动机为角接时，因每个线电流都与两个相电流有关，故用上法不易判断机内有无故障。

此时可暂将电动机改为星接，并相应将线电压提高到660伏（使相电压正好为380伏，与设计值相同），然后用上法检查。

如果没有升压条件，也可仍加380伏的线电压，此时相电压虽只有220伏、低于设计值，但若机内存在故障或不对称性，三相电流仍有偏差，再用换头法试验，便可确定问题所在。

图4-3用“换头法”判断I0不对称的来源

如果三相I。

偏差不大，或者偏差虽然较大，但用换头法证明偏差原因来自机外，空载试验是否合格还要看空载电流平均值I。

的大小如何。

电动机运行时，负载超重，电流越大，因此空载时的定子电流I。

应该是最小的。

一般三相电动机的I。

约等于额定电流的20一60％（0．6千瓦以下电动机还要大些）。

如果有一台电动机的I。

竟等于甚至超过额定电流，那么满载时电流就要更多地超过额定值，电动机就会过热，寿命就会缩短，或者说，这种电动机根本不应该按它铭牌所标的功率来满载运行。

[例1]一台1．5千瓦的二极电动机，相间及对地绝缘都在200兆欧以上（冷态），三相空载电流为2，2安、2．1安、1．2安，能听到轻微电磁噪音，试判断它的故障。

解：

根据三相电流严重不等（最大一相偏差达34．4％）及有电磁噪音两点，基本上可断定存在电磁故障。

1．5千瓦二极电动机的空载电流约为1．2安，现在两相超过而一相差不多，比较可能是匝间短路。

为进一步确诊，令电动机空转2分钟后拆开，发现有一个线把端部比其他都烫，可以肯定这个线把有匝间短路。

[例2]一台4．5千瓦的电动机，相间及对地绝缘都在50兆欧以上（冷态），三相空载电流为9，6安、7．6安和5．4安，电磁噪音不明显。

机身无明显振动。

试判断它的故障。

解：

因为空载电流严重不等（偏差最大的一相达到28．3％），基本上可以断定有电磁故障（有电磁故障不一定能听到电磁噪音）。

用换头法试验，发现电流的不对称性来自机内，更可肯定机内存在电磁故障。

令电动机空转3分钟后迅速拆开端盖，用手摸各个线把端部，感到温度大体相同，说明不是匝间短路。

根据相间及对地绝缘部在50兆欧以上又排除了相间短路及绕组接地的可能。

这台电动机是一路星形接法，如果绕组断路必然是一相没有电流，这也与实验不符。

剩下的最大可能是接线错误。

如果是一相反接，加额定电压时应该机身振动且有明显电磁噪音，而试验证明没有，此外，空载电流值也比一相反接时小，所以不是一相反接（曾经测过各相头尾，证明的确不是一相反接）。

最后怀疑是相内反接。

为了确诊，曾将转子拆下，一个一个线把地检查接线，最后发现有一相的一个线把反接。

按正确接法改接后，三相空载电流变为4．4安、4．35安、4．2安，从空载试验来看，基本正常。

表4—5给出了小型电动机的参考I。

值。

当实测的I。

值不超过它的15％时可认为合格。

表4-5小型三相异步机空载电流单位：

安

如果三相I。

偏差在l0％以内（或偏差虽大但来自机外），I0正常，既无振动，又听不到电磁噪音，空载时间很长温度也不高，是否就可以认为电机正常呢？

空载试验虽能暴露很多电磁故障，但不能暴露全部电磁故障（特别是转子的故障）。

要全面检查故障，还要加上“短路试验”。

（2）短路试验令转子不动（10千瓦以下电动机可用手抓住转轴），约定子加三相对称低压（对额定电压为380伏的电动机，加95伏的电压），测量定子的三个线电流（叫做短路电流）。

电动机很象一个副边短路的变压器（图4—4）。

定子绕组相当于变压器的原线圈，鼠笼转子相当于变压器的副线圈。

又因为笼条是通过端环自身闭合的，所以相当于变压器的副线圈被短路。

对于副边短路的变压器，原边加额定电压时会出现很大的原边、副边电流。

同样，短路状态（即转子不动）下的电动机，若定子加上额定电压，也会出现很大的定子、转子电流。

所以短路试验时，定子要加较低的电压。

图4-4副边短路的变压器图4-5副边带负载的变压器

短路试验可以发现断笼，而且判断比较准确。

如果短路试验时定子三相电流明显不等，就要考虑有断笼的可能。

为了确诊，可用手使转子缓慢的转动，如果确有断笼，将出现如下现象：

①三相定子电流都随转子的缓慢转动而缓慢变化，但三者的最小值和最大位值基本相同。

②当一相定子电流取最大值时，其他两相都不取最大值。

例如有一台2．8千瓦的电动机，短路试验时三相定子电流明显不等，令转子缓慢转动，发现定子每相电流都从2．8安变到3．7安，但当一相为3．7安时，其他两相都小于3．7安。

拆开检查，发现转子有多根断条。

可以用“断笼侦察器”进行侦察。

它不但能找出哪几根笼条断裂，如果使用得当，还可以找出断裂的具体位置。

为什么断笼时定子短路电流随转子的缓慢转动而变化？

这要从转子对定子的反影响说起。

笼条是均匀分布在转子表面的．因此正常电动机的转子电流是一个对称多相电流（每根笼条看作一相）。

与对称三相电流一样，对称多相电流也会产生旋转磁场。

电动机内部的旋转磁场实际上是定子电流的磁场和转子电流的磁场的合成结果。

定子导线与转子电流的磁场相切割就产生感应电动势，这个电动势使定子电流增大。

这就是转子对定子的反影响。

假定有一根笼条断裂，转子电流的对称性就被破坏，它对定子三相绕组的反影响就会不同，定子三相电流就不等。

以定子某相绕组（例如A相）为例，断条所在位置不同，转子磁场对A相绕组的反影响就不同，因此A相电流将随转子的角度而变。

对其他两相的分析也一样。

可见用这个办法确诊断笼是比较可靠的。

但有一点应该注意，就是笼条在转子表面不是一条紧靠一条的，条与条间有一定距离。

当正常的转子转了一个很小的角度，定子每相电流也将有微小变化，但这种变化一般不会超过2％。

此外，当气隙很不均匀时，也可能引起定子短路电流随转子缓慢转动而变化。

短路试验除能暴露断笼之外，还可以与空载试验配合起来反映电动机的电磁性能。