石化企业同步电机励磁高温故障排查与整治

陆杰

摘要：本文主要就大榭石化同步电机励磁故障实际，以励磁超温运行为切入点，系统分析电机超温的可能原因，着重总结分享原因的排查及攻关整改过程。最后以点盖面，从设备本质安全角度提出电机设计制造到日常维护的几点建议。

关键词：同步电机、励磁、超温、故障排查、整治

前言：

伴随化工装置产能的不断扩大，装置机泵参数不断突破，大功率低转速电机应用增加，目前行业较为普遍的优选同步电机作为大功率低转速驱动马达。又因区域爆炸环境限制，大型防爆型同步电机带给设备管理者的挑战日趋严峻。馏分油综合利用项目210万吨/年加氢装置循环气压缩机自2016年投运以来，励磁故障问题时有发生，机械动力部从生产实际出发，利用专业所长，精心排查，找到励磁故障原因并最终于2020年圆满消缺，实现设备长周期运行，保障生产装置稳定运行。

一、电机产生高温的原因与对策

电机温度的升高是多因素作用的。重载至运行电流升高、绕组发热、出现异常温升；系统电压过高，电机磁通密度增加，铁损增大导致电机发热；定子与转子间气隙过小，转动过程中有轻微摩擦或碰撞导致电机发热；轴承的异常或损坏，电机转动过程出现轴中心晃动，摩擦系数加大导致发热；外部因素主要如底座安装固定不牢、机械端振动传导致电机异常发热；环境温度升高，对应电机正常运行温度升高；水冷型电机的循环水流量、压力不足至电机散热能力下降；制造缺陷如选用铜材、铁芯材质不达标导致电机温升较高；风扇损坏导致散热能力下降，水冷管线堵塞致散热能力下降等。

针对以上问题，电机运行过程严格管理各项参数，调节变压器档位使电机运行在额定电压下、匹配机泵按照电机功率高于泵出力10%选型、严格电机制造工艺，选取卧龙南阳和佳木斯等老牌成熟的大厂制造的质量过硬电机、严格技术要求选用SKF和FAG大品牌轴承并对电机绕线和铁芯等制造选材和压接工艺各有明确要求、严格要求电机满足F级绝缘和B级温升、校核绕组与铁芯发热情况匹配风扇尺寸和冷却水管径密度等。

同步电机相较异步电机多了励磁系统。励磁系统通过转轴与机身相连，励磁腔的温度环境主要受主机本体传导影响。励磁腔内的主控模块与励磁模块为集成电子元件，故障概率远大于电机本体。特别是防爆型同步电机，设计励磁模块为独立腔体，散热问题主要依靠风道和壳体自身散热，存在较大弊端。对励磁腔温度的控制主要包含空间大小、风道设计、风量大小，部分甚至增加冷却水盘管等方式以控制励磁腔体温度在规定值内。

二、同步电机模块故障与结果简述

210万吨/年加氢装置循环气压缩机配同步电机防爆等级EX dⅡCT4.额定电压10kV、功率4400KW、电流295.6A。是该装置单机功率最大电机，为装置A类设备。自2016年装置投产，不到一年时间连续出现多次励磁模块损毁导致故障停机事件。根据公司领导要求，机械动力部牵头运行七部、维保单位和卧龙南阳电机制造厂开展攻关工作。2021年4月份大检修改造励磁风叶与风道挡板后正常运行已超一年多，期间历经两个夏季高温运行周期，再无励磁故障问题发生，励磁故障问题终被攻克。

三、原因排查与整改

检修过程，我们发现整流模块明显工作在高温环境中，可见阻容吸收模块表面的灌封胶已经明显受热，由原来的乳白色变为焦黄色、引出电缆由于超正常高温导致硬化开裂、螺丝固定胶由于受长期运行高温环境而变软溢出、热缩管明显受热老化。

测试模块参数，模块的可控硅正反向阻断电阻偏低（万用表测量约 3.2K）。

检查主控模块在常温下：投励滑差 5%、启动回路低电压启动定值 18V、启动回路高电压启动定值 700V，三路脉冲正常，经检测各项功能正常。 置高温下：将模块放置在 60℃老化带电老化，在老化过程中，三相脉冲输出正常，高温状态下测量其余功能均正常。判定主控模块性能正常。整流模块参数如下：

可控硅和二极管在高温下的漏电流一般不超过 30mA（测试电压 2300V），由测试数据可见编号为31139和31132整流模块的可控硅性能明显损坏和性能下降， 在高温下尤其明显。

为验证模块确在高温环境中工作。我们在短时停运期间在腔体不同部位粘贴温度贴片方案。确认励磁腔体温度高的主要原因为冷却水压力偏低、进水温度过高，加之腔体风冷循环不畅通原因导致。

为避免故障发生，一方面从选型上着手，看是否是耐高温能力更强模块可供选择。另一方面需要解决源头上的高温环境问题。提供设计冷却水进水温度为26℃，也就是制造厂是按照设计所提供的循环水温度26℃进行的初始设计与制造。通过日常监测可以得出冷却水进水温度在29℃及以下时，腔体外表面温度不超50℃，内部温度不超60℃；通过对比晴雨天和冬夏季运行工况，确认循环水进水温度降到26℃设计值或以下，腔体内部温度降至50℃内。即在不改变其他工况下，需要维持冷却水低温、高压高流量运行。

励磁腔体高温主要来源于电机运行本身产生热量通过转轴的热传导产生。而电机设计为T4组别，B级温升，要想从源头上降低电机发热所需花费的精力与成本是极高的。不考虑防爆本身因素情况下有效降低励磁腔体温度的简便方法可以更换大尺寸水冷器，提高换热散热的效率；也可以改造励磁腔壳体，加大腔体的体积，提高散热效率；不改变励磁腔尺寸，给腔体加装冷却水循环管线也是较为简单的措施之一，而这三项措施是改变电机结构，改造后如不重新取证是不符合防爆要求的，以上措施因合规性原因无法真正实施。

从生产实际出发，专业落实两项措施。一：借机泵切换时间，检修冲洗冷却水管并冲洗翅片散热管道。清理管内铁锈与淤泥，同时落实运行部门加强对循环水水质管理，提高清洁度防止管道的堵塞。二：对电机自身及励磁腔体密封检查更换，确保各部密封严密，保证内部冷却风道按设计流通。

如何从根本上降低腔体温度，我们绘制腔体风道流通路径模拟图，从提高风道有效换热角度，提出更换励磁腔风扇和加装风挡的方案，得到了多数攻关参与者的支持。原风扇叶片垂直轴心，0偏角。电机运行过程仅风扇径向延伸面并轴向少部分气流涡转，而联通主机的进出通风口设置在腔体底部平行于转轴。风扇高速转动将内部空气隔离为前后两个区域，反作用阻挡进出口空气气体流通，励磁安装面周边气体很大可能在运行过程中呈独立区域，无法散热，而电机本体高温能一直的影响励磁安装区域。对接卧龙南阳制造厂现场勘测并比对原制造图纸，赶在我公司2021年装置停工大检修前加工带斜偏角冷却风扇共三套进行了更换，同时增加内部风道挡板，改变冷却气流通路径，使得励磁腔体空气正常流通而不至于产生局部高温。

四、有关建议

我们应加强设备全生命周期技术管理，特别是设计管理，从统一规定、单机协议上落实重要参数与配件的具体要求。对于工艺无特殊要求的，优先选异步电机驱动。

当前变频器已是在化工企业大量成熟应用产品。其具无功补偿、高精控制、转速高低调节功能。较多场合适合变频器加异步电机替代同步电机可能。

从生产运行实际考虑，为降低循环水温度，需要付出的代价远比故障更换模块高百倍不止，建议今后修改电机采购公用工程总的循环水温度为30℃，为制造厂提供一定裕量参数。

参考文献

[1]任学伟，杨宝江，王竹芳，《电动机实用技术》，中国电力出版社，2011年，9787512310353

[2]才家刚，《电机故障诊断及修理》，机械工业出版社，2019年10月，9787111548140

作者简介：陆杰，2004年6月毕业于浙江水利水电学院发电厂及电力系统专业，现工作于中海石油宁波大榭石化有限公司机械动力部电气工程师岗位。