大型直流电机在延长使用寿命中的维护
2008/1/4 10:58:00
摘要
直流机的安全稳定运行，有赖于两个方面，一个是合理的使用，即出功，又出力；另一个是长期细致的维护将故障消失在萌芽状态。对超期服役的直流机第二方面尤为重要。本论文主要围绕延长期的大型直流机在使用条件方面如通风、冷却的改造改进；在合理使用电机方面如咬钢、夹钢时，火花变化及停机、停轧；在防止升高片振动及断裂的处理方法方面进行讨论。
关键词：通风冷却 换向火花 氧化膜 升高片 连锁控制
前言
尽管随着变频技术的成熟及应用，越来越多的大型电机，特别是轧钢主电机，开始使用交流调速电机，但仍然存在着许许多多直流机在安全稳定的运行着；我厂就有几台大型直流机安全稳定的运行了三十多年，其中3000KW直流机是1963年制造，2台1800KW直流机是1965年制造，2台250KW直流机是1972年制造，5000KW直流电机是1985制造，将这些大型直流电机全部用交流电机替代将是一笔巨大的资金，也没有这个必要，现在全国都在建设节约型社会、节约型企业，在现阶段合理使用直流电机是十分理智的，也更加符合建设节约型企业要求。一些关键产品仍然是大型直流电动机在轧制，据首钢日报9月6日报道“从首钢重点工程秦皇岛板材有限公司中板厂增容改造施工现场传出喜讯，板材轧机依次热负荷试车成功，承担着整条生产线运转的2台主轧机电动机，由于运行平稳，各项技术指标完全达到用户要求，得到了人们的高度赞誉。它就是由首钢电机厂独立制造成功的3800KW大型直流电机，这标志着电机厂制造步入了一个新领域。”另据报道首钢电机厂“又承接了4台4500KW，2台1400KW大型直流电机的制造任务。”这些都充分说明了大型直流电机顽强的生命力和不可替代性。
1 电机的绝缘、寿命及通风冷却
1.1电机的绝缘及使用寿命
安全合理的使用电机是电机正常运转的保证，电机的使用寿命是由多种因素决定的，如电气绝缘，机械摩擦，机械疲劳，环境温度，使用方法等等，一些突发事故也能终止电机的 使用寿命。
在这些因素中电气绝缘部分的寿命是各种因素中的最主要的原因之一，而老化是导致绝缘下降的最主要原因，导致老化的主要原因有高温、潮湿、使其热老化，高电压、强电场使其电老化，摩擦、振动使其疲劳、损耗、破裂等，正确的解决这些问题，至少有效的改善使用方法、环境，细心的维护，都可以使电机达到使用设计年限。甚至延长使用寿命。高电压，大电机的使用年限一般为35000小时以上，有些资料统计为20年寿命，影响高电压大电机的绝缘寿命的主要因素是电老化，当然还有温度和机械因素，由于在高电压下将产生电离，电晕，电介质老化现象。这就是绝缘材料的分子结构发生了逐步的变质和损坏。这部分的老化过程不容易控制，由于大电机一般都设计为高电压，而且为额定电压，电机必须运行在这个电压下，所以改善电机的使用条件很大部分落在了改善通风和冷却上。
1.2大电机的通风和冷却
电机的运行过程就是能量转换过程，在转换中有一部分转变成机械能进行轧钢，这是有用功。还有一部分为无用功，如铁损、铜损、杂损及机械损耗等等都将以热量形式表现出来，电机的温度如果过高，长期工作运行在高温状态，电机的绝缘寿命将大打折扣，所以进行良好的电机通风及冷却也是延长大电机寿命的主要办法，我厂大电机的通风冷却采用密闭循环通风，理论上这是一个比较理想的不受干扰的独立系统，但由于运行时间长远，风路中由于端罩，墙隙，仓门特别是由于冷却器长期漏水，挖坑排水造成风路中正压区向外漏风而负压区向里漏风，而补风口补进的气体往往温度较高，且粉尘很多，即使经常更换过滤器也不能很好的解决粉尘和进风温度问题，经过我们认真检查和仔细观察，造成这种原因的情况主要是主电室实际是负压而不是正压，存在的真实情况是：
①轧线上一些辅助电机的冷却风也是从主电室吸风
②轧钢生产工人为了降低在轧机旁工作的温度，用2台轴流风机吹风，而吹风方向正好顺轧机大连杆部分吹进主电室，这样即把轧钢过程中出现的粉尘吹进主电室，又把钢坯的 高温吹进来。
③主电室的进风电机损坏长期没有更换，在这种情况下主电室只能是负压。根据这三点我向机动科及工段提出了整改方法：
第一、 辅助电机冷却风源考虑从厂房外取；
第二、 轴流风机吹风方向改侧吹，与电机轴向成90。角；
第三、 更换主电室进风电机。
其中第二、第三条立即得到改正，第一条由于工程复杂需要改造风道走向，但在第二年的中修中进行了改正，使2台1800KW大电机运行条件得到了较好的改善。
2 大电机整流子的维护及保养
2.1直流电机的换向
直流电机的换向是一个十分复杂的过程，有关这方面的书籍及文献已经很多了，我做为一名普通维护大电机的职工无论如何也不敢枉谈换向原理，但在我十多年维护大电机的工作中我真真切切的感觉到换向除了有电磁理论外，还和机械的、化学的、及周围温度、特别是工人维护情况等等方面有关。可以说在我们维护大电机的工作中，所花费的工作精力最多，投入的时间最长，长期的观察和仔细的记录，我真的能区别出，今天整流子氧化膜和昨天氧化膜颜色上、薄厚上的变化，哪怕只是一点点，电刷镜面的划痕，换向器上的划痕接班时用卡尺量过，交班时就可以发现划痕的变化，进而看出电机的运行状态。为了延长大电机的使用年限，工作中我对换向器氧化膜进行了细致的观察和基础理论的学习，现就结合3000KW电机和2台1800KW的整流子的实际情况粗略的叙述一下。
2.2氧化膜的形成及建立
其实铜在空气中也能慢慢地氧化，形成氧化膜——铜锈，但是换向器表面形成的氧化膜，主要是电刷和换向器之间滑动接触所产生的电化学过程，由于空气中存在着水蒸气分子，在电刷和换向器的中间水分子被电离，而产生氧离子，当整流子是阳极时，氧离子和铜结合成氧化铜和氧化亚铜。同时由于摩擦产生的电刷石墨结晶体也堆积在铜表面和氧离子一起与铜结合形成了厚度极薄的一层氧化膜。在氧化膜里有氧化铜、氧化亚铜，还有碳，石墨及一些其它杂质。仔细的观察，我们可以发现氧化膜其实是变化的，当换向器是阳极时氧化膜变厚，因为铜被加剧氧化而当电刷为阳极时，氧化膜就变薄，因为氧化铜，被还原，所以氧化膜实际是一种动平衡，氧化膜的形成和许多因素有关，如负荷情况，电刷，温度，湿度，及换向火花等，一般而言，温度较高，湿度较大对建立氧化膜较为有利，由于电机运行的条件不同，所以氧化膜的颜色也不同，例如3000KW直流机，由于咬钢冲击电流大，空气较干燥氧化膜颜色为红褐色，而1800KW直流机。由于温度较高,湿度较大电刷为D215,氧化膜的颜色为咖啡色。
氧化膜的存在,对换向过程十分有利，多年的工作经验至少可以总结出如下几点:
①减少了电刷和换向器的摩损,从而减少更换电刷的大量工作和研磨整流子的工作;
②由于氧化膜的电阻率很大,这样就限制了被电刷短路元件内的电流,使换向有所改善;
③由于氧化膜的硬度很大,延长了换向器的磨损寿命,通过观察换向器表面氧化膜的情况,我们大致可以判断电机工作时换向的情况,当换向不佳或换向恶化时,氧化膜就首先遭到破坏,出现脱铜,接着换向火花加大,整流子出现烧伤。
2.3换向火花及换向不良原因
换向维护工作是一项细致工作，而且必须长年坚持，认真观察换向情况才能做到值班时心中有数,产生换向火花的原因有许许多多,但概括起来主要有这样几个方面:
①电磁原因,这是产生换向火花的主要原因,②机械原因;③运行的条件和周围环境等,换向火花分成5种，现从技术手册中抄录如下:
表2-1
火花等级 电刷的火花程度 换向器及电刷的状态
1 无火花 换向器上没有黑痕及电刷上没有灼痕
1 电刷边缘仅有微弱的点状火花或有非有放电性的红色小火花
1 电刷边缘大部分有轻微的火花 换向器上有黑痕,但不发展,用汽油擦除其表面即能除去,在电刷的表面有轻微灼痕
2 电刷边缘全部或大部有强烈火花 换向器上有黑痕出现,用汽油不能擦除,同时电刷上有灼痕,如短时出现这一级火花,换向器上不出现灼痕,电刷不被烧焦
3 电刷整个边缘有强烈火花,同时有大火花飞出 换向器上黑痕相当严重,用汽油不能擦除,同时电刷上有灼痕.如在这火花下短时运行,则换向器上将出现灼痕,同时电刷将被烧焦或损坏
认真学习这个火花等级的划分，其实它是从2个方面出发的,一是从火花的特征,如:火花形态有点状，粒状，舌状，飞溅状及环火状等．
二是火花对换向器的烧伤情况和电刷烧伤情况，如：烧痕，节痕，条痕，及脱铜等等．这也是我们工作中心所在，例如我厂几台大电机换向时换向火花为：
２台1800KW 额定负载时换向火花为11/2级
最大负载时换向火花为2级
3000KW 额定负载时换向火花为11/2级
咬钢时换向火花为2级~3级
5000KW 额定负载时换向火花为11/2级
咬钢时换向火花为2级~3级
当换向火花11/2级时说明换向器比较正常，而当火花达到2级甚至3级时，则我们就要监盘，时刻注意轧钢过程，通常采取的办法是一人监盘，一人监护电机，发现2级火花时间达5秒提醒操作工人，10秒停轧，如果3级火花2秒，即咬钢瞬间冲过去可继续轧钢，如打滑，夹钢达2秒以上即拉闸停轧。产生换向不良原因有很多种，有时几个因素反映出一个换向不良的现象，而有时又是一个故障原因，造成几种换向不良的征象，下面将电机换向不良及故障原因列表如下：
表2-1 直流电机换向不良征象和原因
序号 征象 直接原因 主要故障
1 火花 换向器和电刷维护不良
电机机械方面
电气调整方面
电刷牌号选择不对
电刷抖动
振动
过载
外界条件 1，2，3，4，5，6，7<
直流机的安全稳定运行，有赖于两个方面，一个是合理的使用，即出功，又出力；另一个是长期细致的维护将故障消失在萌芽状态。对超期服役的直流机第二方面尤为重要。本论文主要围绕延长期的大型直流机在使用条件方面如通风、冷却的改造改进；在合理使用电机方面如咬钢、夹钢时，火花变化及停机、停轧；在防止升高片振动及断裂的处理方法方面进行讨论。
关键词：通风冷却 换向火花 氧化膜 升高片 连锁控制
前言
尽管随着变频技术的成熟及应用，越来越多的大型电机，特别是轧钢主电机，开始使用交流调速电机，但仍然存在着许许多多直流机在安全稳定的运行着；我厂就有几台大型直流机安全稳定的运行了三十多年，其中3000KW直流机是1963年制造，2台1800KW直流机是1965年制造，2台250KW直流机是1972年制造，5000KW直流电机是1985制造，将这些大型直流电机全部用交流电机替代将是一笔巨大的资金，也没有这个必要，现在全国都在建设节约型社会、节约型企业，在现阶段合理使用直流电机是十分理智的，也更加符合建设节约型企业要求。一些关键产品仍然是大型直流电动机在轧制，据首钢日报9月6日报道“从首钢重点工程秦皇岛板材有限公司中板厂增容改造施工现场传出喜讯，板材轧机依次热负荷试车成功，承担着整条生产线运转的2台主轧机电动机，由于运行平稳，各项技术指标完全达到用户要求，得到了人们的高度赞誉。它就是由首钢电机厂独立制造成功的3800KW大型直流电机，这标志着电机厂制造步入了一个新领域。”另据报道首钢电机厂“又承接了4台4500KW，2台1400KW大型直流电机的制造任务。”这些都充分说明了大型直流电机顽强的生命力和不可替代性。
1 电机的绝缘、寿命及通风冷却
1.1电机的绝缘及使用寿命
安全合理的使用电机是电机正常运转的保证，电机的使用寿命是由多种因素决定的，如电气绝缘，机械摩擦，机械疲劳，环境温度，使用方法等等，一些突发事故也能终止电机的 使用寿命。
在这些因素中电气绝缘部分的寿命是各种因素中的最主要的原因之一，而老化是导致绝缘下降的最主要原因，导致老化的主要原因有高温、潮湿、使其热老化，高电压、强电场使其电老化，摩擦、振动使其疲劳、损耗、破裂等，正确的解决这些问题，至少有效的改善使用方法、环境，细心的维护，都可以使电机达到使用设计年限。甚至延长使用寿命。高电压，大电机的使用年限一般为35000小时以上，有些资料统计为20年寿命，影响高电压大电机的绝缘寿命的主要因素是电老化，当然还有温度和机械因素，由于在高电压下将产生电离，电晕，电介质老化现象。这就是绝缘材料的分子结构发生了逐步的变质和损坏。这部分的老化过程不容易控制，由于大电机一般都设计为高电压，而且为额定电压，电机必须运行在这个电压下，所以改善电机的使用条件很大部分落在了改善通风和冷却上。
1.2大电机的通风和冷却
电机的运行过程就是能量转换过程，在转换中有一部分转变成机械能进行轧钢，这是有用功。还有一部分为无用功，如铁损、铜损、杂损及机械损耗等等都将以热量形式表现出来，电机的温度如果过高，长期工作运行在高温状态，电机的绝缘寿命将大打折扣，所以进行良好的电机通风及冷却也是延长大电机寿命的主要办法，我厂大电机的通风冷却采用密闭循环通风，理论上这是一个比较理想的不受干扰的独立系统，但由于运行时间长远，风路中由于端罩，墙隙，仓门特别是由于冷却器长期漏水，挖坑排水造成风路中正压区向外漏风而负压区向里漏风，而补风口补进的气体往往温度较高，且粉尘很多，即使经常更换过滤器也不能很好的解决粉尘和进风温度问题，经过我们认真检查和仔细观察，造成这种原因的情况主要是主电室实际是负压而不是正压，存在的真实情况是：
①轧线上一些辅助电机的冷却风也是从主电室吸风
②轧钢生产工人为了降低在轧机旁工作的温度，用2台轴流风机吹风，而吹风方向正好顺轧机大连杆部分吹进主电室，这样即把轧钢过程中出现的粉尘吹进主电室，又把钢坯的 高温吹进来。
③主电室的进风电机损坏长期没有更换，在这种情况下主电室只能是负压。根据这三点我向机动科及工段提出了整改方法：
第一、 辅助电机冷却风源考虑从厂房外取；
第二、 轴流风机吹风方向改侧吹，与电机轴向成90。角；
第三、 更换主电室进风电机。
其中第二、第三条立即得到改正，第一条由于工程复杂需要改造风道走向，但在第二年的中修中进行了改正，使2台1800KW大电机运行条件得到了较好的改善。
2 大电机整流子的维护及保养
2.1直流电机的换向
直流电机的换向是一个十分复杂的过程，有关这方面的书籍及文献已经很多了，我做为一名普通维护大电机的职工无论如何也不敢枉谈换向原理，但在我十多年维护大电机的工作中我真真切切的感觉到换向除了有电磁理论外，还和机械的、化学的、及周围温度、特别是工人维护情况等等方面有关。可以说在我们维护大电机的工作中，所花费的工作精力最多，投入的时间最长，长期的观察和仔细的记录，我真的能区别出，今天整流子氧化膜和昨天氧化膜颜色上、薄厚上的变化，哪怕只是一点点，电刷镜面的划痕，换向器上的划痕接班时用卡尺量过，交班时就可以发现划痕的变化，进而看出电机的运行状态。为了延长大电机的使用年限，工作中我对换向器氧化膜进行了细致的观察和基础理论的学习，现就结合3000KW电机和2台1800KW的整流子的实际情况粗略的叙述一下。
2.2氧化膜的形成及建立
其实铜在空气中也能慢慢地氧化，形成氧化膜——铜锈，但是换向器表面形成的氧化膜，主要是电刷和换向器之间滑动接触所产生的电化学过程，由于空气中存在着水蒸气分子，在电刷和换向器的中间水分子被电离，而产生氧离子，当整流子是阳极时，氧离子和铜结合成氧化铜和氧化亚铜。同时由于摩擦产生的电刷石墨结晶体也堆积在铜表面和氧离子一起与铜结合形成了厚度极薄的一层氧化膜。在氧化膜里有氧化铜、氧化亚铜，还有碳，石墨及一些其它杂质。仔细的观察，我们可以发现氧化膜其实是变化的，当换向器是阳极时氧化膜变厚，因为铜被加剧氧化而当电刷为阳极时，氧化膜就变薄，因为氧化铜，被还原，所以氧化膜实际是一种动平衡，氧化膜的形成和许多因素有关，如负荷情况，电刷，温度，湿度，及换向火花等，一般而言，温度较高，湿度较大对建立氧化膜较为有利，由于电机运行的条件不同，所以氧化膜的颜色也不同，例如3000KW直流机，由于咬钢冲击电流大，空气较干燥氧化膜颜色为红褐色，而1800KW直流机。由于温度较高,湿度较大电刷为D215,氧化膜的颜色为咖啡色。
氧化膜的存在,对换向过程十分有利，多年的工作经验至少可以总结出如下几点:
①减少了电刷和换向器的摩损,从而减少更换电刷的大量工作和研磨整流子的工作;
②由于氧化膜的电阻率很大,这样就限制了被电刷短路元件内的电流,使换向有所改善;
③由于氧化膜的硬度很大,延长了换向器的磨损寿命,通过观察换向器表面氧化膜的情况,我们大致可以判断电机工作时换向的情况,当换向不佳或换向恶化时,氧化膜就首先遭到破坏,出现脱铜,接着换向火花加大,整流子出现烧伤。
2.3换向火花及换向不良原因
换向维护工作是一项细致工作，而且必须长年坚持，认真观察换向情况才能做到值班时心中有数,产生换向火花的原因有许许多多,但概括起来主要有这样几个方面:
①电磁原因,这是产生换向火花的主要原因,②机械原因;③运行的条件和周围环境等,换向火花分成5种，现从技术手册中抄录如下:
表2-1
火花等级 电刷的火花程度 换向器及电刷的状态
1 无火花 换向器上没有黑痕及电刷上没有灼痕
1 电刷边缘仅有微弱的点状火花或有非有放电性的红色小火花
1 电刷边缘大部分有轻微的火花 换向器上有黑痕,但不发展,用汽油擦除其表面即能除去,在电刷的表面有轻微灼痕
2 电刷边缘全部或大部有强烈火花 换向器上有黑痕出现,用汽油不能擦除,同时电刷上有灼痕,如短时出现这一级火花,换向器上不出现灼痕,电刷不被烧焦
3 电刷整个边缘有强烈火花,同时有大火花飞出 换向器上黑痕相当严重,用汽油不能擦除,同时电刷上有灼痕.如在这火花下短时运行,则换向器上将出现灼痕,同时电刷将被烧焦或损坏
认真学习这个火花等级的划分，其实它是从2个方面出发的,一是从火花的特征,如:火花形态有点状，粒状，舌状，飞溅状及环火状等．
二是火花对换向器的烧伤情况和电刷烧伤情况，如：烧痕，节痕，条痕，及脱铜等等．这也是我们工作中心所在，例如我厂几台大电机换向时换向火花为：
２台1800KW 额定负载时换向火花为11/2级
最大负载时换向火花为2级
3000KW 额定负载时换向火花为11/2级
咬钢时换向火花为2级~3级
5000KW 额定负载时换向火花为11/2级
咬钢时换向火花为2级~3级
当换向火花11/2级时说明换向器比较正常，而当火花达到2级甚至3级时，则我们就要监盘，时刻注意轧钢过程，通常采取的办法是一人监盘，一人监护电机，发现2级火花时间达5秒提醒操作工人，10秒停轧，如果3级火花2秒，即咬钢瞬间冲过去可继续轧钢，如打滑，夹钢达2秒以上即拉闸停轧。产生换向不良原因有很多种，有时几个因素反映出一个换向不良的现象，而有时又是一个故障原因，造成几种换向不良的征象，下面将电机换向不良及故障原因列表如下：
表2-1 直流电机换向不良征象和原因
序号 征象 直接原因 主要故障
1 火花 换向器和电刷维护不良
电机机械方面
电气调整方面
电刷牌号选择不对
电刷抖动
振动
过载
外界条件 1，2，3，4，5，6，7<
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