電機定子繞組匝間燒毀故障解析

  電動(dòng)機的電氣絕緣故障包括線(xiàn)圈內部絕緣損傷、相間擊穿絕緣損傷和對地擊穿絕緣故障，對地絕緣故障是造成三相異步電動(dòng)機損壞的主要原因，其次是相間絕緣擊穿故障，再次是匝間絕緣故障。電機的電氣絕緣性能由絕緣材料本身性能和生產(chǎn)加工制造工藝決定，絕緣材料質(zhì)量穩定性是電機絕緣性能可靠性的基礎，電機的絕緣材料主要是隔離繞組和鐵芯的絕緣紙、絕緣管、絕緣漆、云母帶等增強性絕緣材料，也包括電磁線(xiàn)、引接線(xiàn)等導電材料本身的絕緣材料。絕緣材料損傷是造成電機繞組電氣絕緣產(chǎn)生故障的主要原因，為減少繞組絕緣故障出現的可能性，加工制造過(guò)程應關(guān)注生產(chǎn)工藝的適宜性,增強絕緣材料的防護措施，避免絕緣層磕碰損傷。下面就繞組絕緣匝間故障類(lèi)型和原因以及預防措施做一下說(shuō)明。

1.定子繞組匝間故障類(lèi)型和產(chǎn)生原因

      定子繞組匝間燒壞是定子繞組某一相或相鄰兩相繞組中一個(gè)槽或相鄰幾個(gè)槽內的線(xiàn)圈燒壞，根據故障原因和表現形式可分為接地匝間，相間擊穿匝間和繞組內部匝間三種情況。接地匝間是電機運行過(guò)程中，繞組對地絕緣擊穿，線(xiàn)圈接地部位短路，造成繞組燒壞；相間擊穿匝間是繞組兩相之間絕緣擊穿，擊穿部位線(xiàn)圈短路，造成繞組燒壞；繞組內部匝間是繞組某一相中同一槽或相鄰槽的繞組線(xiàn)圈，因絕緣損傷短路而造成的繞組線(xiàn)圈匝間燒毀。

    接地匝間多發(fā)生在定子槽口或槽背部位，繞組嵌線(xiàn)整形綁扎過(guò)程中，槽口或槽背處絕緣容易受到損傷。定子壓裝時(shí)，槽背處絕緣容易損傷，轉子填裝過(guò)程中，槽口處絕緣易磕碰，出廠(chǎng)測試時(shí)，由于繞組損傷程度較輕，問(wèn)題不可能顯現出來(lái)。電機使用運轉過(guò)程中，絕緣薄弱部位因受潮或臟污，繞組絕緣受到負載電流的反復沖擊，繞組溫度升高，絕緣性能逐漸降低，絕緣薄弱部位泄漏電流增大，當達到泄露電流極，絕緣擊穿，擊穿部位線(xiàn)圈因接地短路，造成繞組匝間燒壞，電機停轉。相間匝間發(fā)生在電機繞組端部相鄰兩相之間，由于定子轉運或壓裝時(shí)，端部磕碰損傷，致使繞組兩相之間和繞組本身的絕緣受損，電機運轉一段時(shí)間后，溫升增高，故障點(diǎn)絕緣擊穿，發(fā)生相間短路，造成兩相之間接觸的繞組匝間燒壞。繞組內部匝間，繞組同一相中同一槽或相鄰槽的繞組線(xiàn)圈之間的絕緣因損傷造成的匝間故障，繞組內部匝間大多發(fā)生在繞組端部，裝配過(guò)程中繞組端部磕碰劃傷，運轉過(guò)程中轉子所帶平衡塊或平衡柱松動(dòng)脫落，定子繞組內部焊頭虛接，焊接處接觸電阻太大，發(fā)熱嚴重，均會(huì )導致繞組內部絕緣損傷，造成匝間燒毀。

    繞組匝間燒毀大部分屬電機質(zhì)量原因，電磁漆包線(xiàn)存在缺陷，定子制造和轉運過(guò)程中繞組絕緣受到不同程度的損傷，降低了繞組的絕緣性能，使用過(guò)程中由于負載電流的反復沖擊和運行環(huán)境中濕度和溫度增加，匝間絕緣薄弱部位絕緣擊穿，短路，造成繞組燒壞。匝間短路故障發(fā)生時(shí)，可能只有兩根導線(xiàn)因交疊處絕緣磨損接觸，短路線(xiàn)圈產(chǎn)生環(huán)流，使線(xiàn)圈發(fā)熱累積，進(jìn)一步損壞鄰近導線(xiàn)的絕緣，短路的匝數不斷增多、故障范圍擴大，短路匝數足夠多時(shí)，短路處電流大幅增大，燒斷繞組。當三相繞組有一相線(xiàn)圈發(fā)生匝間短路時(shí)，相當于該相繞組有效串聯(lián)匝數減少，電流增大，造成定子三相電流不平衡，電動(dòng)機轉矩下降，拖動(dòng)負載無(wú)力，轉速降低，繼續運行，故障范圍擴大，最后繞組燒毀。

    電機繞組的匝間絕緣是電磁線(xiàn)本身的絕緣或很薄的附加匝間絕緣，如薄膜或云母墊條等，線(xiàn)圈匝間接觸面積與繞組的接觸長(cháng)度相同。匝間絕緣在繞線(xiàn)、嵌線(xiàn)、接線(xiàn)，壓裝等工序中都可能受到損傷。電動(dòng)機在運行中繞組絕緣承受工頻電壓、瞬時(shí)過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓。這些電壓同時(shí)作用于對地絕緣和匝間絕緣上。額定匝間工頻電壓僅幾十伏，對匝間絕緣損傷少。對匝間絕緣造成損傷的主要是各種沖擊過(guò)電壓，其峰值可高達額定電壓的數十倍。匝間故障的短路匝在電動(dòng)機內部，受交變磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，短路匝自成回路，感應電動(dòng)勢在閉合回路中產(chǎn)生很大的電流，高達額定電流的若干倍，短路匝的溫度比其他匝高，長(cháng)時(shí)間持續運轉，絕緣材料老化、匝間絕緣損傷，最后導致相間或對地絕緣擊穿，燒壞電動(dòng)機繞組。所以，要延長(cháng)電動(dòng)機的運行壽命，需要提高匝間絕緣的電氣絕緣強度和工藝穩定性。

2.接地匝間短路故障防范措施

    帶繞組鐵芯的對地絕緣故障多發(fā)生在鐵芯彈開(kāi)的槽口位置和繞組端部，特別是定子槽滿(mǎn)率較高的繞組線(xiàn)圈，在擴口和整形過(guò)程中，容易造成槽口損傷，定子繞組絕緣紙在槽背處開(kāi)裂，引起繞組對地絕緣損壞，造成接地匝間。繞組對地絕緣故障的另一位置是槽內，鐵芯槽內存在凸起、有異物，導致槽底絕緣損壞，槽內絕緣尺寸不符合或發(fā)生扭斜，槽絕緣不能防護到位。對于對地絕緣故障，不同的絕緣處理工藝，修復的差別較大，真空壓力浸漆，絕緣漆固化后成為不可還原的固態(tài)，修復的難度較大，特別是鐵芯槽內的絕緣故障，基本上不可修復；繞組與鐵芯槽口發(fā)生對地故障時(shí)，電磁線(xiàn)的漆膜破損的可能性較大，修復了對地絕緣故障，發(fā)生匝間絕緣故障的可能性也較大。匝間故障的預防應從材料、設計符合性，線(xiàn)圈、繞組制作的工藝性，以及繞組的絕緣處理，并結合電機的實(shí)際運行工況進(jìn)行考慮。電磁線(xiàn)的性能符合性對于匝間故障控制特別關(guān)鍵，電磁線(xiàn)回彈、漆膜連續性、直流電阻和耐電壓檢測項目檢測能比較直觀(guān)的反映其性能符合性。設計環(huán)節應結合不同產(chǎn)品對應的制造工藝，從槽滿(mǎn)率、端部尺寸控制方面綜合考慮。絕緣處理是電機繞組制造的關(guān)鍵工藝，需要通過(guò)保證繞組掛漆指數和提高固化效果，預防電機運行過(guò)程的振動(dòng)影響，并保證電機有較好的散熱效果。另外，為避免制造過(guò)程繞組損傷，需要從鐵芯制造、帶繞組鐵芯轉運、轉子穿入定子過(guò)程等環(huán)節采取必要的防范措施。

    正常情況下，電機裝配完成后，繞組端部與機座和端蓋不存在實(shí)質(zhì)性接觸，應有一定的空間距離，對于空間比較緊張，繞組端部整形不規范的定子，壓入機座，裝配成整機后，可能出現繞組與機座或端蓋實(shí)質(zhì)性接觸，造成對地絕緣損傷，引起繞組匝間故障。這類(lèi)故障出現的產(chǎn)品規格比較集中，對地故障點(diǎn)相對固定，大多集中在繞組引線(xiàn)與本線(xiàn)焊接，以及引線(xiàn)引出機座出口的位置。為避免此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生，需要嚴格控制繞組加工的工藝性，設置好繞組開(kāi)口位置、大小、與機座出口的相對位置，以及引接線(xiàn)的分布處理。避免定子繞組整形后端部尺寸超差。

3. 結論

    定子是電機的關(guān)鍵核心部件，定子繞組質(zhì)量直接關(guān)系到整臺電機的使用壽命。由于定子在浸漆，轉序，裝配過(guò)程中容易磕碰劃傷，造成繞組対地或匝間絕緣損壞，所以定子繞組匝間絕緣性能檢測是電機檢測的重點(diǎn)，通常采用絕緣電阻測量，工頻耐壓沖擊檢測和高壓脈沖沖擊波形匝間檢測對繞組線(xiàn)圈與地，繞組之間和匝間絕緣進(jìn)行測試，通過(guò)所測量繞組的絕緣電阻，耐壓試驗的泄漏電流和匝間波形所顯示的絕對差值和面積差值與設定的標準值對比，判定繞組絕緣合格與否。