轴电流对高压变频电机轴承的损害及其处理方法

丁子良

摘要：变频电机的轴电流是由于电机磁路不对称和变频器产生的高频电压引起的。轴电流对于电机轴承、电机轴端安装的辅助装置以及负载机械的轴承都可能造成危害。对轴电流的预防一般要根据变频电动机电源供电的调速系统、电机大小、轴承类型、联轴装置、辅助装置和电机运行环境以及变频电动机的轴电压大小等具体情况分别采用以上措施达到抑制轴电压、轴电流的目的，从而，可延长轴承的运转寿命，提高变频电机及其传动系统的运行可靠性，使变频调速系统的优势得到更好的发挥。

关键词：轴电流；高压变频电机；轴承

某水厂使用型号为YPT800-8，额定功率为2000KW，额定电压10kV，F级绝缘，转子轴承为滚动柱状轴承，高压变频电机。在运行中发现以下故障：

（1）润滑油使用1个月已烧焦，

（2）电机轴承使用寿命不到一个季度；首先从机械方面采取措施。如选择更合适的润滑油，故障现象仍然存在；再从电气方面采取措施，综合检测分析是轴电流作用，经重做轴承绝缘后，以上故障解除。

1电机使用情况

高压变频电机在使用过程中发现，轴承温度高；润滑脂快速变黑；轴承使用寿命短，并轴承表面出现类似于洗衣板形状的条纹（如图一）。

2电机轴承润滑脂

原用润滑脂为2号通用锂基润滑脂（特性详见GB/T7324-2010），由于电机润滑剂有烧焦现象，所以考虑原有轴承润滑脂的耐高温性不够，选用添加了二硫化钨的润滑脂，二硫化钨作为润滑脂具有很低的摩擦系数（0.03），较高的抗极压性能和抗氧化性能（空气中450℃开始分解，650℃完全分解，真空中1100℃开始分解，2000℃完全分解）。适用于高温、高压、高真空、高负荷、高转速、高辐射、强腐蚀、超低温等各种苛刻条件下的润滑。但更换轴承、润滑脂等机械手段处理后，故障仍然存在，故开始从电气方面考虑问题，初步怀疑是电动机转子产生有较大轴电压，在此电压下产生严重的轴电流所造成的。

3.轴电压与轴电流

轴电压是电机转轴与轴承间说产生的电压，转子轴电压一旦形成回路，就会产生轴电流。

3.1轴电压产生的原因：

电机的设计造成的轴电压。电机由于硅钢片叠装因素、扇形冲片及铁芯槽的存在，造成磁路存在不平衡，并有交变磁通切割转轴，根据电磁感应定律，在轴的两端感应出轴电流。

逆变器供电产生轴电压。电动机在逆变器供电运行时，由于电源中含有高次谐波分量，在电压脉冲分量作用下，定子绕组端部、接线部分以及转轴之间产生电磁感应，使转轴的点位发生改变从而产生轴电压。

电机周围高压设备以及内部保护电路与测量电路的复杂接线而导致轴电压的产生。

3.2轴电流的危害

3.2.1变频电机轴电流的直接危害是会使电机轴承失效缩短轴承的使用寿命。在电机正常运转情况下，轴承内形成一层润滑油膜，能起一定的绝缘作用，即使电机运转出现较低的轴电压，也不会产生轴电流。但是当轴电压高到一定数值时，将会击穿油膜而放电。尤其是在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定建立，瞬即产生的轴电压将击穿油膜的薄弱部位放电，形成轴电流。当放电部位的金属接触点很小时，则流经这些点的电流密度就会很大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧伤，在滚珠或滚道上烧出小凹坑。如果长期有轴电流，小凹坑麻点就会增多，滚动轴承的滚道上甚至会出现凹槽，从而产生噪声、振动，甚至使轴承完全损坏。对于使用滑动轴承的电机轴电流会灼伤滑动轴承的轴颈和轴瓦从而破坏轴承的粗糙度和油膜形成条件，导致轴承温度升高甚至烧毁。

3.2.2变频电机轴端安装的辅助装置如测速发电机、编码器等易与两轴承或两轴承之一构成轴电流回路。该轴电流在对电机轴承造成破坏的同时对测速发电机、编码器等辅助装置的安全也构成威胁。在某些情况下轴电流甚至会灼伤电机轴伸和联轴器等部件。更有甚者轴电流有时不光损害电机自身的轴承还会危害到与之相连的传动装置或负载的轴承。

3.3轴电流的预防

一般而言，交流传动系统都会产生轴电流，但大多数系统的轴电流幅值较小，未达到危害程度。对于滚动轴承，因为油膜较薄，所以对轴电流比较敏感，一般要求轴电流小于1A。当轴电流达1A-1.4A时，轴承只能运行200h-700h；当轴电流大于2A时，数小时即可烧损轴承。对于滑动轴承，要求轴电流小于10A；当轴电流达10A-40A时，轴承只能维持运转3000h-12000h。针对轴电流的形成原因，现场一般采取如下预防措施：

（1）在轴端安装接地碳刷以降低轴电位。接地碳刷应可靠接地，并与转轴可靠接触，保证转轴为零电位。

（2）为防止磁不平衡原因产生轴电流，在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，切断轴电流的回路；也可在转轴前后轴承台及其轴肩处用等离子法均匀喷涂50μm-100μm厚的耐热陶瓷绝缘层。

（3）为避免电动机附件导线的绝缘破损，要求检修运行人员细致检查，并加强导线或垫片绝缘消除隐患。

（4）对逆变器供电的调速系统加装高频滤波器，或给变频调速装置加设共模滤波电路，保证带宽在10kHz以上。

（5）对曾发生轴电流侵蚀的电机轴，用改变油膜厚度的方法（如油黏度、润滑油供应量、转速和负荷）可减小电流侵蚀。

4故障分析

由于使用中的变频电机已做轴承后端盖绝缘，即在轴的尾端将轴电压可能形成的回路断开，所以电机轴承遇到上述故障现象时，先从机械手段消除故障，即更换润滑脂与轴承，但故障现象没有消除。为此，从电气方向检查与分析原因。从外观检查原有轴承绝缘措施情况为良好（电机绝缘措施详见图二，红色网状为绝缘物料）；采用1000V兆欧表测量电动机轴承的绝缘电阻是少于0.5MΩ，这阻值不符合GB50150-2006中所规定“1000V兆欧表测量，绝缘电阻值不应低于0.5MΩ”。经过深入的检查分析后，发现电机端盖采用了热胀冷缩装配方法，绝缘物料与金属物质间的热胀冷缩系数不同，导致图三中的A处出现了空隙，导电杂质渗进空隙，导致绝缘下降。

5处理方法：

对于轴电流的处理方法，主要有两个方向，1.轴接地，降低轴电压电位；2.对轴电压可能形成回路的部分进行断路，使其不能形成回路。由于电机原用的处理方法是后者，所以当时的处理意见还是沿用原来的处理方法，采用加强手段，保证轴与地之间不能形成回路。

具体处理步骤：1.对存在污染物的绝缘层连接缝隙，使用除锈剂除、化油剂等清洁剂去除缝隙里面的污染物，此时测量轴承室绝缘电阻为1-1.4MΩ；2.自然风干轴承室2天，轴承室绝缘电阻能稳定的维持在约5MΩ；3.加强原有绝缘措施。使用绝缘漆及密封材料对绝缘层连接缝隙进行填充封堵，再经3天自然风干，测量轴承室绝缘电阻能稳定的维持在90-100MΩ。

建议：1.轴承出现后，应从机械与电气两方面检查，并同时进行处理，可以节省时间与成本，因为机械电气之间密不可分，只往一方向检查，可能会造成不可挽回的损失。

2.改进绝缘层的连接方式，例如将两块独立的绝缘层整合成一块成型的绝缘零件。

改进按照方法。“轴承冲筒”（专用工具）

参考文献：

[1]GBT7324-2010通用锂基润滑脂.

[2]俸颢，毛大恒，孙晓亚《二硫化钨在高温锂基润滑脂中摩擦性能的研究》.

[3]GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》.