張 艷

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

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YKK400-6 280 kW異步電動機溫升高問題簡析

張 艷

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

簡要介紹了某電廠風(fēng)機配套用交流電動機溫升偏高問題的分析處理過程。根據(jù)電動機現(xiàn)場工況，參照電機設(shè)計資料，通過對電動機的發(fā)熱原因及配套通風(fēng)散熱系統(tǒng)等進行分析，最終發(fā)現(xiàn)電動機溫升偏高原因為電機冷卻系統(tǒng)外風(fēng)路進風(fēng)不暢，風(fēng)量不足所致。更換電機冷卻器配置后，問題得到解決。

電動機溫升；損耗；風(fēng)路；換熱容量；對數(shù)平均溫差

0 引言

YKK400-6 280 kW 異步電動機是我公司為某電廠設(shè)計制造的風(fēng)機配套電動機，F(xiàn)級絕緣，B級溫升考核。電動機在運行時發(fā)生溫升高現(xiàn)象。本文以此為例，簡要介紹電動機溫升高故障的分析和處理。

1 電動機設(shè)計參數(shù)

電動機型號： YKK400-6

電動機功率： 280 kW

額定電壓： 6 kV

額定轉(zhuǎn)速： 992 r/min

額定電流： 27.56 A

功率因數(shù)cosΦ： 0.828

換熱功率： 17.038 kW

絕緣等級： F

外風(fēng)路進口風(fēng)溫t1： 40 ℃

外風(fēng)路出口風(fēng)溫t2： 55 ℃

電機出風(fēng)溫度T1： 80 ℃

電機進風(fēng)溫度T2： 60 ℃

2 故障分析

2.1 故障檢測

電動機為雙軸伸電機，通過聯(lián)軸器分別與兩臺風(fēng)機連接，安裝在隔音室內(nèi)?，F(xiàn)場運行時，電動機發(fā)生溫升高現(xiàn)象。在隔音室門打開狀態(tài)下，電動機帶載穩(wěn)定運行至溫升穩(wěn)定后，現(xiàn)場實測結(jié)果如下。

定子繞組最高溫升： 107 K

室外溫度： 10 ℃

隔音室室內(nèi)溫度： 32 ℃

冷卻器外風(fēng)路進口風(fēng)溫t1＇： 33 ℃

冷卻器外風(fēng)路出口風(fēng)溫t2＇： 55 ℃

冷卻器內(nèi)風(fēng)路進口風(fēng)溫T1＇： 69.5 ℃

冷卻器內(nèi)風(fēng)路出口風(fēng)溫T2＇： 46.5 ℃

上述測量結(jié)果中，繞組溫升值為PT100測溫元件監(jiān)控顯示最高值，風(fēng)路風(fēng)溫為檢測數(shù)據(jù)的平均值。

2.2 故障原因分析

當(dāng)電動機溫度超過絕緣材料許用溫度時，絕緣材料會迅速老化，影響電動機的使用壽命和運行可靠性，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞電動機。因此電機溫升故障需盡早處理。電動機常用絕緣等級和允許溫升見表1。

表1 電動機常用絕緣等級及溫升限值

處理溫升問題時，主要從電動機自身發(fā)熱和配套冷卻系統(tǒng)通風(fēng)散熱方面著手，針對性解決。

2.2.1 電動機發(fā)熱分析

電動機發(fā)熱一般分為正常發(fā)熱與異常發(fā)熱兩種情況。

正常發(fā)熱主要來自電機各種正常損耗以及非穩(wěn)態(tài)運行發(fā)熱。正常損耗為電機正常運行時產(chǎn)生的損耗，主要包括：定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機械損耗、雜散損耗等；非穩(wěn)態(tài)運行包括啟動、制動、反轉(zhuǎn)等。電動機在非穩(wěn)態(tài)運行時，繞組內(nèi)電流遠大于正常工作時電流，發(fā)熱量驟增，但電機恢復(fù)穩(wěn)定后，會很快恢復(fù)正常。

異常發(fā)熱原因主要有：鐵心疊片絕緣老化導(dǎo)致渦流損耗增加、繞組絕緣老化引起漏電流增加、相電壓不平衡引起的電流不平衡導(dǎo)致的異常發(fā)熱、電源電壓波動引起的損耗增大、接線錯誤、局部短路、機械故障等等。除絕緣老化一般是一個慢性漸變過程外，其余異常原因?qū)е碌陌l(fā)熱變化都比較迅速，且有時會伴有振動、異聲等，表征比較明顯。

此電機為我公司成熟產(chǎn)品，同型號、參數(shù)規(guī)格的產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)過多批次實物，均未出現(xiàn)類似問題。因此，電機設(shè)計參數(shù)原因?qū)е聹厣呋究梢耘懦?。另外，本電機溫升為穩(wěn)態(tài)運行出現(xiàn)，非穩(wěn)態(tài)運行原因可以排除。

電機經(jīng)過我公司出廠試驗合格后出廠，電機各項技術(shù)指標(biāo)、性能參數(shù)均符合設(shè)計輸入，電機振動、噪聲等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。技術(shù)人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電源質(zhì)量符合電機工作要求；電機在用戶現(xiàn)場經(jīng)過安裝調(diào)試運行也未發(fā)生振動、噪聲異?，F(xiàn)象。因此，電機電源質(zhì)量問題、電機絕緣老化、接線錯誤和機械故障等異常發(fā)熱原因基本可以排除。

2.2.2 電動機通風(fēng)散熱分析

本電機帶背包式空空冷卻器，內(nèi)外風(fēng)路冷卻介質(zhì)均為空氣。冷卻風(fēng)路如圖1所示，圖中單箭頭表示外風(fēng)路，重疊箭頭表示內(nèi)風(fēng)路。

圖1 電機風(fēng)路示意圖

在電機工作時，內(nèi)風(fēng)路中空氣在內(nèi)部離心風(fēng)扇的作用下，流經(jīng)電機定、轉(zhuǎn)子鐵心風(fēng)道將熱量帶出，經(jīng)內(nèi)部風(fēng)扇端的冷卻器進風(fēng)口(電機出風(fēng)口)進入冷卻器，在冷卻器內(nèi)通過換熱管與外風(fēng)路進行熱量交換后冷卻，然后再經(jīng)冷卻器出風(fēng)口(電機進風(fēng)口)進入電機內(nèi)部循環(huán)。外風(fēng)路冷風(fēng)在電機外部軸上的離心風(fēng)扇作用下進入冷卻器導(dǎo)風(fēng)筒，流經(jīng)冷卻器換熱管內(nèi)部，通過換熱管與內(nèi)風(fēng)路熱量交換，吸收熱量后從電機軸伸端的冷卻器尾部排出。

為尋找故障原因，首先我們根據(jù)傳熱方程式來分析電機冷卻系統(tǒng)的實際熱交換能力：

Pm=K×A×Δtm

(1)

式中：Pm為熱交換功率，kW；K為冷卻器綜合散熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；A為散熱面積，m2；Δtm為對數(shù)平均溫差，℃。

本電機冷卻器為逆流散熱，其對數(shù)平均溫差Δtm可按下式計算：

(2)

式中：Th1、Th2依次為冷卻器熱流體進、出口溫度；tc1、tc2依次為冷卻器冷流體進、出口溫度。

將冷卻器風(fēng)溫設(shè)計參數(shù)t1、t2、T1、T2及現(xiàn)場檢測結(jié)果t1＇、t2＇、T1＇、T2＇分別代入式(2)，可得：

Δtm設(shè)計=22.4 ℃

Δtm檢測=14 ℃

冷卻器換熱面積主要由冷卻管直徑及管數(shù)決定。當(dāng)冷卻器設(shè)計制造完畢后，其換熱面積A固定，為常數(shù)；在冷卻管直徑及管數(shù)確定的情況下，綜合散熱系數(shù)K隨風(fēng)量的增加而增大。假設(shè)K值不變，由式(1)可知，此時換熱功率Pm和平均對數(shù)溫差Δtm呈線性關(guān)系。

如果Δtm下降，則熱交換功率Pm減小，換熱能力下降。本案例中冷卻器實測對數(shù)平均溫差遠低于設(shè)計對數(shù)平均溫差，表明在假定冷卻器綜合散熱系數(shù)K保持不變的情況下，冷卻器實際換熱功率只有設(shè)計值的60%左右，遠小于設(shè)計值。如再考慮綜合散熱系數(shù)值K變化，實際換熱功率與設(shè)計值差值將更大。因此，冷卻器實際換熱功率偏小，無法將電機內(nèi)部熱量全部帶出。

冷卻器散熱能力不足一般有以下原因：冷卻系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)路風(fēng)量不足；冷卻器散熱面積不足；外風(fēng)路風(fēng)量不足或環(huán)境溫度偏高。

經(jīng)與冷卻器供貨商溝通，此冷卻器設(shè)計時已留有設(shè)計余量，且已多次與同規(guī)格同型號電機配套使用，未有客戶反映類似問題。隔音室環(huán)境溫度雖遠高于室外溫度，但是仍未超出冷卻器設(shè)計時設(shè)定的環(huán)境溫度40 ℃。因此，基本可以排除冷卻系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)路故障、冷卻器散熱面積不足、工作環(huán)境溫度過高的原因?，F(xiàn)對外風(fēng)路風(fēng)量分析，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測結(jié)果可得風(fēng)路溫差如表2所示。

表2 冷卻系統(tǒng)風(fēng)路溫差 K

冷卻器進出風(fēng)口溫差公式為：

Δto=P/(Ca×Qa)

(3)

式中：Δto為流體進出口溫差；P為風(fēng)路熱交換功率，kW；Ca為氣體定壓比熱容，kW·s/(m3·K)；Qa為風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)式(3)，當(dāng)P、Ca為定值時，Δto值越大，則表明Qa越小。由表2可知，外風(fēng)路實測溫差Δt＇比設(shè)計溫差Δt要大得多，即在當(dāng)前實際換熱功率下，外風(fēng)路風(fēng)量偏小，不能滿足電機散熱需求。

經(jīng)查發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)場電機外風(fēng)路進風(fēng)口處，電機與用戶風(fēng)機連接用聯(lián)軸器采用薄鋼板制作的U型保護罩進行了安全防護；但幾乎完全遮住了電機外風(fēng)路進風(fēng)口，嚴(yán)重影響了電機冷卻器外風(fēng)路進風(fēng)。至此，基本可以確定電機冷卻系統(tǒng)外風(fēng)路進風(fēng)量不足是引發(fā)故障的主要原因。同時，因聯(lián)軸器保護罩幾乎完全封死了電機外風(fēng)路進風(fēng)口，阻隔了徑向進風(fēng)空間，大部分進風(fēng)需流經(jīng)羅茨風(fēng)機表面和聯(lián)軸器表面，相當(dāng)于被初步預(yù)熱，也影響了進風(fēng)溫度和冷卻效果。

由于隔音室在電機工作時一般處于封閉狀態(tài)，電機冷卻器排出的熱量及羅茨風(fēng)機等設(shè)備表面輻射熱量均留在室內(nèi)，僅靠兩小功率風(fēng)機經(jīng)小百葉窗換氣，室內(nèi)環(huán)境溫度遠高于室外溫度。此故障發(fā)生時為冬末，隔音室內(nèi)溫度已達32 ℃。夏天，電機工作環(huán)境溫度還將會進一步升高。從這個角度來說，在目前的現(xiàn)場工況條件下，要求電機配空空冷卻器是不合適的。

3 故障處理

經(jīng)分析可知，電機溫升超差主要是因電機冷卻系統(tǒng)外風(fēng)路進風(fēng)不暢，風(fēng)量不足所致。同時隔音室內(nèi)溫度遠大于室外，降低了熱交換溫度梯度，一定程度上也影響了電機散熱效果。

對此，技術(shù)人員建議將電機空空冷卻器改為空水冷卻器， 提升電機冷卻系統(tǒng)散熱能力和散熱效率的同時，徹底避免空空冷卻器外風(fēng)路進風(fēng)問題，降低環(huán)境溫度對電機冷卻系統(tǒng)的影響。用戶按建議措施整改完畢后，電機溫升回復(fù)正常，問題順利解決。

4 結(jié)語

電機的通風(fēng)散熱過程是一個十分復(fù)雜的過程，它受到電機電磁、結(jié)構(gòu)、配套冷卻系統(tǒng)等各種因素影響。本次溫升故障的分析處理，為今后深入研究和改進電機通風(fēng)散熱設(shè)計提供了一個思考方向，也為后續(xù)處理類似問題積累了經(jīng)驗。

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