摘要：随着技术的进步，现代生产日益向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化转变，设备故障对生产的影响显著增加。一次不预期的事故，常常会造成巨大的经济损失。因此，对电动机进行状态监测和故障诊断，在故障产生的初期尽早发现，合理安排生产和维修，避免故障扩大到使设备严重受损或造成临时性的停产事故，具有十分重要的意义。
关键词：鼠笼型异步电动机；故障诊断；瞬时脱扣值；整定方法
引言：
电动机作为主要的动力设备，在国民生产和生活中具有举足轻重的地位。在工业电气传动设计中，鼠笼型异步电动机的远距离启动时，其保护断路器的瞬时脱扣电流难以整定。既要避开启动时的尖峰电流，又要满足电动机端短路时脱扣器动作的灵敏度，而二者在设计中往往不能同时满足。本文对鼠笼型异步电动机的故障诊断进行了分析，并对其瞬时脱扣值的整定方法进行了实例论述。
一、鼠笼式异步电动机的基本结构
鼠笼式异步电动机主要由定子、转子、轴承装置三部分组成，在定子和转子之间有一定的空气间隙。定子由定子铁心，定子绕组和机座组成；一般电动机机座多使用铸铁结构，需要足够的机械强度和刚性，主要用于固定和支撑定子铁心，定子铁心一般是用损耗小，磁特性良好的桂层，在为了减少铁芯中的祸电流损耗，以使每个桂钢的两个表面都涂有绝缘漆，并在定子的轴向方向留有径向通风槽，在两端用压板按压整个铁心，上述定子铁心的内圆中组成的硅钢板内圆冲出许多相同形状的插槽以嵌入定子绕组，电动机的定子绕组由许多的线圈根据一定的规则親合，根据其放置情况，绕组可分为两种形式（单层和双层）。
转子的铁心、绕组和转轴组成了电机转子部分。电动机运行中，作为旋转构件的转子受到电磁力、机械力等作用；因此，在设计的时候，设计者必须考虑所用材料的刚度和强度。转子绕组的结构是安放导条在铁心外圆分布均勾的槽内，再利用两个端环把所有导条的两端连接在伸出铁心两端的槽口处，其作用是产生感应电势、电磁转矩和流过电流。
鼠笼式异步电机通常是在定子和转子部，分别具有一组相独立的电路，通过气隙利用磁场的稱合作用实现机械能与电能的相互转换，因此，电机一般都会有相互独立的一对电路和这些电路形成的稱合磁场。通过对定子绕组通电，绕组与绕组之间、绕组和接地之间的电压具有不同的强度，内部不同的绝缘结构来隔离这些电，电机系统的绝缘系统由不同的绝缘材料组成的绝缘结构来构成。
二、鼠笼异步电动机常见故障诊断及起因
电机故障的形式多种多样，但总体来说可以分为机械故障和电气故障。美国电力研究学会(ElectricPowerResearchInstitute，EPRI)对电机故障的研究表明:电机故障的53%源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等;47%源于电气原因，其中，10%源于转子，如结构缺陷导致的气隙不平衡、断条等;37%源于定子绕组。
1.轴承故障
电机的机械故障主要就是轴承损坏，轴承故障的原因主要有:
(1)机械负荷过大或振动太大;
(2)使用润滑剂不合适、缺少润滑油甚至无润滑油;
(3)绕组温度过高，热量传至轴承，致使轴承损坏。
2.绕组接地
绕组接地故障，俗称碰壳，电机绕组绝缘破损，与机壳短路，导致机壳带电。绕组接地短路故障又可分为单相接地短路和双相接地短路。绕组接地故障产生的原因如下:
(1)绝缘热老化:电机工作时间长，即将到达寿命极限，绝缘老化，或者电机长期过负荷运行，使得绝缘过快老化变质;
(2)机械性损伤:电机嵌线时，主绝缘被刮伤，或者线圈在槽内松动，电机运行时，由于振动摩擦以及局部位移而损伤绝缘;
(3)局部烧损:电机发生轴承损坏或其他机械故障，导致定、转子相互摩擦而损坏绝缘;
(4)铁磁损坏:槽内线圈上附有铁磁物质，交变磁场使铁磁物质振动而将绝缘磨破，若铁磁物质较大，交变磁场在其内部产生涡流，引起绝缘局部热损坏;
(5)其他原因:因雷击或电力系统过电压，绕组绝缘被击穿。
绕组接地故障是一种严重的电机故障，将严重损坏电机，甚至造成人员伤亡，因此电动机继电保护通常都设有电机接地短路故障保护。
3.绕组短路
电机绕组短路，包括线圈匝间短路、线圈间短路和相间短路。绕组线圈导线的绝缘损坏，不相通的线匝间直接连通，形成低阻抗的环路，环内产生大电流，导致周围线圈绝缘加速老化，严重时烧毁电机。绕组短路的原因如下:
(1)修理电机过程中，嵌线时磨破线圈绝缘，或者焊接时烫伤绝缘;
(2)绕组绝缘受潮，电源电压将绝缘击穿;
(3)电机长期过载运行，绝缘老化焦脆;
(4)定子绕组线圈组间的连接线或引出线绝缘不良，被击穿或损坏;
(5)绕组端部或双层绕组的槽内相间绝缘没有垫好或者被损坏;
(6)绕组端部过长，接触到端盖，绝缘被磨损。
匝间短路是绕组短路的早期轻微故障，若不进行修理，会发展成为线圈间短路和相间短路等严重故障。因此，对匝间短路故障进行检测，在早期故障期间对电机进行维修，可以提高电机的工作稳定性和延长其使用寿命。
4.绕组断路
绕组断路故障主要有以下原因:
(1)线圈绕线质量低劣，通电时，局部发热产生高温而烧断;
(2)接头脱焊;
(3)绕组内部短路或接地故障，烧断导线。
绕组断路是一种严重的电机故障，发生断路故障后，星形接法的电机不能自行启动，三角形接法的电机虽能自启，但三相电流极不平衡，转速降低。电动机继电保护一般都要装设断相保护。
5.转子断条
转子断条是鼠笼异步电动机的主要转子故障，其产生原因如下:
(1)制造缺陷:铸铝转子，由于材料和工艺的不良，导致转子导条内部出现缩孔、砂眼和夹层，电机运行一段时间后，转子导条局部开裂;铜焊转子，由于铜条的端环焊接处松脱而造成转子断条;
(2)使用原因:电机频繁地启动和正反转，电机长期过载运行，流过转子导条的电流过大，导条受到很大的电磁力，而造成导条断裂。
转子断条是鼠笼式异步电动机的一种早期轻微故障，当只有少量导条断裂时，电机仍可以运行，但是电磁转矩降低导致转速下降，并出现周期性“嗡嗡”的电磁噪声。转子某导条断裂后，将加重相邻导条的负担，转子发热严，导致更多的导条断裂。此外，转子断条故障可能会导致扫膛故障，即断掉嗡重的导条伸出鼠笼，刮伤定子绕组绝缘，造成定子绕组短路、绕组接地等严重故障，甚至导致电动机立刻报废。因此对转子断条故障，必须尽早发现，并及早进行修理。
6.气隙偏心
电机气隙偏心分为静态偏心和动态偏心，静态偏心是由于定子内径的椭圆度或装配不良引起的，其偏心的位置在空间是固定的，不随转子旋转而改变位置;动态偏心是由于转轴弯曲、轴颈椭圆、机械共振、轴承磨损等原因引起的，其偏心的位置在空间是变化的。气隙偏心导致电动机气隙圆周方向的磁导分布不均匀，使电动机产生不平衡拉力和电机振动噪音等;严重时将发生“扫膛”故障，导致定转子相互磨擦，刮伤定子绕组绝缘，损坏定转子铁心。因此，对异步电动机的气隙偏心故障也必须赋予足够的重视。
定子绕组接地、断路、相间短路等故障是严重的电机故障，会导致电机电流急剧增大，电机发热严重。该类故障发生后，必须尽可能快地停止电动机，否则电机将被烧毁或者引起严重的事故。而定子绕组匝间短路、转子断条、气隙偏心等故障属于鼠笼异步电动机的轻微故障，在该类故障下电机仍继续工作一段时间，但若不进行修理，会使故障程度加剧，引发绕组接地、断路和相间短路等严重故障。传统的电机继电保护主要是针对电机严重故障，而电机故障检测主要是针对电机的早期轻微故障。对电机进行状态监测和故障诊断，检测其早期故障，根据检测结果，合理制定电机的维修计划，可以提高电机运行的可靠性和延长其寿命，避免临时性的停产事故，减少维修费用，提高经济效益，具有十分重要的意义。
三、概述
在工业生产中，低压鼠笼型异步电动机应用最为广泛。远距离配电的低压鼠笼异步电动机的直接启动与短路保护一直是设计中最为关注的问题。低压配电系统通常采用断路器（或熔断器）来实现短路和过负荷保护，由于异步电动机的启动电流（Igd）为额定运行电流（Ie）的6～7倍，功率较大的异步电动机采用直接启动方式启动时，会在配电系统的低压母线上产生电流冲击和电压降。如果配电系统容量较小，异步电动机的启动在配电系统的低压母线上产生电流冲击和电压降可能导致系统不能正常工作。启动时在异步电动机上所产生的端电压降会超过15%甚至更大，其结果会导致电动机启动延时或失败。同时，大电流长时间冲击电动机，使得电动机发热而损坏绕组绝缘，降低电机使用寿命。在实际应用中，往往许多设备随机配套的电动机为鼠笼型异步电动机，为了减小启动电流，通常采用降压方式。当异步电动机距电机控制中心较远时，担负电动机短路保护的断路器的瞬时动作电流难以整定，断路器的动作灵敏度达不到要求。那么整个传动系统没有任何保护措施，不可能安全运行。所以，对于远距离配电的鼠笼异步电动机，精确计算线路末端的短路电流尤为重要，可以根据该短路电流采取应对措施，以保证系统安全运行和防止事故扩大。
四、举例说明鼠笼型异步电动机瞬时脱扣值的整定方法
某厂有一台132KW,380V的笼形电动机，负载设备为油泵，设备安装好后，初次送电投运QF瞬间跳闸，后采取把连轴器拆除，让电动机空载投运，但合闸送电后又立即跳闸，这到底是什么原因造成电动机不能正常起动？笔者即到现场参与本次的调研。
1.现场情况
该电动机额定工作电流为238A，选用的是ME630A空气断路器控制，保护装置选用2-4KA短路瞬时脱扣，电动机起动前，脱扣器调节在2kA处，相当于8倍多额定电流，初次合闸送电没有成功后，又把整定值提高到2.5kA左右（刻度2-3中间位置）相当于10倍额定工作电流，原以为足以可躲过电动机的起动电流，但合闸送电后还是立即跳闸，经检查起动时母线电压正常，电动机距电源也很近，不存在负载线路过长，造成起动时过大的线路电压降，另外现场也未有异味或火花等不正常现象，起动前电机绝缘检测是良好的。
2.原因分析
从现场调研情况初步分析，电源设备和装置都基本正常，且有足够的电源容量，因此不能正常起动的原因还是怀疑到瞬时过流脱扣器的整定值是否合适？通常笼形电动机的起动电流为电动机额定电流的6-7倍是指起动时的周期性分量，当电动机接入电网的瞬间，除了周期性分量外，还存在非周期性分量（见图1）非周期性分量的大小与电动机接入电网时的相位角有关，当φ=∏/2时。非周期性分量为0，当φ=0时，非周期性分量最大，可达到电动机起动电流的1.5-2倍，但非周期性分量衰减较快，通常不超过二个周波(0.04秒)，本电动机的额定电流为238A，加上非周期性分量，总起动电流有可能达2856A，因此当整定到2500A时，还不能躲过全部起动电流。
作出上述分析后，又将断路器的整定值提高到3000A，电动机就能顺利完成起动。
3.结论
笼形电动机瞬时脱扣整定不能简单的考虑躲过6倍额定工作电流就可以了，由于起动时同时还存在非周性分量，二者叠加时，有可能达额定电流的13倍，因此在整定速断定值时要引起注意。此外本例中由于ME空气断路器其速断整定值较为粗糙，产品出厂时就允许误差为参数的±20%，所以其实际脱扣电流就自然很难正确设置，目前市场上除了进口断路器之外也有许多国产空气断路器均带有智能控制器,如DW45等智能型万能式断路器，其整定值数显都可调，设置整定就会更加方便和准确。
结语：
鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。若其发生故障，将影响人们的正常生产和生活，造成经济损失甚至人员伤亡。因此，本文对鼠笼型异步电动机的故障诊断与瞬时脱扣值的整定方法进行研究，对于提高电机运行可靠性，保证生产顺利进行，具有重要的意义。
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论文作者:倪天祥
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：绕组论文; 故障论文; 电机论文; 转子论文; 电动机论文; 定子论文; 电流论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;