300MW机组锅炉给水泵电机振动故障原因分析
针对某台300MW锅炉给水泵电动机振动故障，进行现场测量试验、数据分析与故障诊断，通过检查得以证实设备故障振动原因，对电动机鼠笼断条影响设备振动的故障机理进行简要分析。
【关键词】振动 热变形 电动机 鼠笼条
1 前言
某发电公司一台300MW机组的锅炉给水泵，系沈阳水泵厂生产的CHTC 516S-2型泵，流量：573m3/h，扬程：2260m，额定最高转速：5600r/min，配哈尔滨电机厂生产的YKS710-4型异步电动机，额定功率：5500KW，额定电压：6000V，额定电流：631A，额定转速：1491r/min，设备允许振动小于80mm。该给水泵组由给水泵、耦合器、电动机、前置泵联成轴系，具有转速与流量可调功能，其结构简图如下：
图1:某发电公司#1机300MW给水泵电动机轴系简图
该电动机自2007年11月2日运行中轴承振动突然增大后，虽经多次从机械方面：检查对轮连接中心、轴瓦、端盖支承刚度进行调整处理，电动机振动仍然超标。
2 设备振动特点
2.1 试验工况
2.1.1 给水泵电动机单转试验：电动机电流：180A，电动机为定速1498 r/min。
2.1.2 给水泵变转速（负荷）试验工况见表1。
表1. 给水泵变转速试验工况
2.2 设备振动概况
2.2.1 单转电动机最大振动15m，测量振动数据见表2。
2.2.2 振动最大的测点在电动机两端轴承,相邻的设备耦合器和前置泵轴承振动均在30m以下；
2.2.3 电动机基础振动始终很小（10m左右）。
表2.某台300MW机组#1C给水泵电动机振动试验数据 单位：m∠°
注：振动幅值单位：微米，振动相位单位：度
2.2.4 在给水泵转速升到5050r/min工况时，电动机振动显著增大，电动机内部出现周期性异音，异音周期与振动波动周期同步。
2.2.5 现场记录表明，随着运行时间增长，电动机启动电流逐渐增大，见表3。
表3电动机4次启动电流参数测量统计
2.3 振动频谱分析和相位特征
2.3.1 电动机两端轴承振动以基频为主，水平方向振动存在一定量的2X分量。以泵转速5050r/min工况下耦合器端轴承振动为例：Σ：110～125m ，1X：44～70m ，2X：30m，垂直方向振动几乎没有倍频振动分量。
2.3.2 轴承振动幅值和相位不稳定,有较大波动量。特别是基频振幅，最大波动幅值47～90m；最大相位波动量44°～153°。
2.3.3 随着给水泵转速增加电动机耦合器端轴承振动相位变化很大,垂直振动由52m/214°变至92m/50°；水平振动从23m /140°变至88m/0°。
2.3.4 给水泵转速升、降转速至4500r/min工况下，振动存在较大差别，以前置泵端轴承振动为例：升速时42～55m/23°，降速时55～67m/84°。
3 振动原因分析
3.1 查现场记录发现在电动机振动增大时，相邻的设备耦合器和前置泵振动始终很小，可以确定为电动机自身的设备缺陷；
3.2 电动机基础振动不大，而且基本稳定，可以排除电动机支承因素影响振动；
3.3 电动机定子本体振幅小于轴承振幅，定子最大振幅不超过30m，振动成分以基频为主，可以排除电动机定子因素；
3.4 鉴于电动机转速为定速，电动机单转时振动小于20m，可排除电动机转子不平衡因素；
3.5 唯独不能排除电动机转子电气方面的故障。在给水泵升、降转速4500r/min工况下，振动存在较大差别，表明电动机转子随着工作电流与功率参数，存在逐渐恶化现象。
4 电动机检查
根据以上分析，决定对电动机解体检查，转子抽出后发现转子耦合器端存在局部过热现象（图2），耦合器端绑扎端部笼条玻璃丝布有鼓包现象，打开玻璃丝布再进一步检查。发现耦合器端47根笼条中就有32根断裂或脱焊（图3），前置泵端也有20多根断裂。
图2 转子出现局部过热现象
图3 笼条断裂或脱焊
5 电动机转子鼠笼断条故障振动机理
一般三相异步电动机启动电流是额定空载电流的5～10倍，考虑到该三相异步电动机为鼠笼结构设计。其额定工作电流631A，电动机单转工作电流180A，泵组启动电流由908.8A升至2316A。当电动机转子笼条反复承受启动电流瞬间过载力矩冲击，极容易疲劳断裂。一旦出现某根断条现象，将导致转子出现电流短路环，一是电磁力的不对称，二是断裂处发热转子产生热变形。加剧故障恶化与衍深。由于电动机转子的热变形引起的挠度变化可近似由下式计算
式中：L－转子本体长度，mm;
α－金属的线胀系数，约为
－转子截面的温差, ℃
－轴的挠曲半径, mm
d 转子本体部分的直径，mm。
用上面公式计算转子表面温度差1℃，该电动机转子将产生热挠曲约0.01 mm，如果依据温差大于3℃，计算不平衡离心力约为转子重量的10％，转子重量按1000kg计算，就产生100kg不平衡离心力。
根据上面公式，断条后在断裂处发热引起温差,就会产生转子热弯曲与热不平衡，影响设备振动。
6 结束语
该给水泵电机振动原因是转子笼条断裂引起。当转子存在断条故障缺陷时，一是电动机振动逐渐恶化；二是电动机起动电流增大；三是随泵组转速或电动机功率增加而明显加剧振动超标现象，严重时发生异音故障。
7 参考资料：
1.顾晃，汽轮发电机组振动与平衡 中国电力出版社 1998
2.施维新，汽轮发电机组振动与事故 中国电力出版社 1991
3.卢明辉，一台1000kW异步电动机过热与振动的故障分析与处理 大电机技术2002.6
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