厂用电动机一般采用鼠笼式异步电动机。
4.1 三相异步电动机的工作原理
4.1.1 三相异步电动机的基本工作原理
三相异步电动机定子绕组为三相对称绕组,当其接上三相对称电源就会形成旋转磁场、旋转磁场的方向决定于定子三相绕组电流的相序,旋转磁场的角速度决定于外加电源的频率f和定子绕组的磁极对数p即
n1=
60fp
通电后的三相定子绕组形成旋转磁场后,原来静止的转子与旋转磁场之间,就有了相对运动,转子导体切割磁力线而感应电动势。
由于转子导体自行闭路,故在转子感应电动势的作用下,转子导体内就有感应电流。转子通电导体在旋转磁场中受到电磁力和电磁转矩的作用,且电磁转距的方向与旋转磁场旋转的方向一致,从而使转子以转速n随旋转磁场的转动而转动。
由上分析可见,异步电动机转动的必要条件是转子的转速n和定子旋转磁场转速n1,之间存在着差异,即n≠n1,故称为异步电动机。 4.1.2 转差率
定子旋转磁场的同步转速n1与转子转速n之差称为转差;转差与同步转速的比值称为转差率S,即
Sn1nn1100﹪ (4—1)
转差率是分析异步电动机的一个重要参数,异步电动机工作时其转差率在0<s<l之间。额定状态下的转差率约为0.01~0.06。为了进一步了解异步
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电动机的工作特性,下面先分析一个转差率与转子电路各量的关系。
a)、转差率与转子绕组感应电动势频率的关系
旋转磁场在气隙中以同步转速n1旋转,当转子以转速n旋转时,气隙磁场以△n=n1—n的相对速度切割转子绕组,因此转子中感应电动势和电流的频率为
f2=
n1n)60n1p60n1nn1Sf (4—2)
式(1—2)说明转子感应电动势的频率f2与转差率S成正比。
b)、转差率S与转子感应电动势E2的关系。
转子静止时,旋转磁场以转速n1切割转子绕组,其感应电动势为E20。转子以转速n旋转时旋转磁场以n1-n切割转子绕组,其感应电动势为E2。由于感应电动势与旋转磁场切割转子的速度成正比,即E20∝nl; E2∝(n1— n),所以有
220n1nn (4-3)
即E2=SE20
c)、转差率与转子绕组漏抗X2的关系
电抗的大小是与频率成正比的。当转子不动时,转子感应电动势频率为f,对应的电抗为X20。当转子旋转时,转子感应电动势频率为f2,所以转子电抗为
X= 2πf2L2=2πfL2·S=SX20 (4—4)
d)、转差率与转子绕组电流和功率因数的关系。
由于转子绕组的电阻不变,因此,当转差率为S时转子一根绕组的阻抗Z2
为
ZR2(SX220) (4—5)
2
2E2Z2SE20R(SX22202 (4一6)
)式(4—6)说明,转子电流I2随S的增大而增大 转子电路的功率因数为
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COS2R2Z2R2R(SX2220)2 (4—7)
由式(4— 7)可见,COSφ2随S2的增大而减小,与转子电流I2的增减是相反的。在起动瞬间n=0,S=1,所以I2很大,而COSφ2却很低。 4.1.3 三相异步电动机的转矩特性 4.1.3.1 电磁转矩公式
MCmU1fSR2R2(SX220)2 (4—8)
式中U1—定子绕组相电压有效值
Cm—与电动机结构有关的常数
由式(4—8)可见,R2、X20是异步电动机的结构参数,它们基本上是常数。当电源电压U1和频率f不变时,异步电动机的电磁力矩就会随着它的转差率S的变化而变化。如图4—l所示 4.1.3.2 转矩特性曲线
转矩特性曲线如图4-1所示
图4-1转矩特性曲线
a). 最大转矩Mmax
MCmU1fSR2R2(SX220对
)2求导,合并
dMds0
R2则有Sm
X20MmaxCm1U12f2X20 (4-9)
由式(4—9)可见
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①最大电磁转矩的大小与转子电阻无关;
②产生最大转矩时的临界转差率Sm和转子电阻成正比。 ③最大电磁转矩与电源电压的平方成正比。
Km=
Km为电动机的过载系数。 Mn——额定电磁转矩。 b). 起动转矩Mst
电动机起动瞬间的转矩,称为起动转矩,将S=1代人电磁转矩公式得
MStMmaxnM
CmU1f2R2222R(SX20)2 (4-10)
由式(4-10)可见
起动转矩与电源电压的平方成正比。 4.1.4 三相异步电动机的起动
电动机定子接入三相电源,转子从静止开始升速,直至稳定运行于某一转速,这一过程称为起动。
电动机定子接额定电压起动时,由于n=0,静止的转子与旋转磁场间相对速度最大,因此转子感应电动势最大,转子电流也很大,从而引起定子绕组出现很大的起动电流Ist,Ist可达到额定电流的5~8倍,过大的起动电流产生较大的线路压降,可使电网电压突然下降,有可能使电网上其它正在运转中的电动机突然停止转动。
虽然异步电动机起动时的电流很大,但由于起动时的功率因数COSφ很低,起动转矩 MSt并不大,因此异步电动机起动时要选择适当的起动方法,即把起动电流限制在一定数值内,又保证能输出足够的起动力矩。 4.1.4.1 鼠笼式异步电动机的起动
鼠笼式异步电动机的起动方法有两种,直接起动和降压起动。 a)、直接起动
直接起动就是在定子绕组上直接加上它的额定电压。这种起动方法起动电流大,但操作方便,设备简单。通常10kW以下的电动机采用直接起动。
b)、降压起动
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当电网容量有限,可采用降低起动电压的办法减少起动电流。起动完毕后,再使加在定子绕组的电压恢复到额定电压值。常用的降压起动方法有下列几种。
l)自耦变压器降压起动。这种起动方法就是利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的起动电压。其线路如图4-2所示。
起动时,合上电源开关K1,将K2放在“起动”位置,通过自耦变压器把电压降低起动。转速升高到接近额定转速时,将K2从“起动”位置切换到“运行”位置,电动机接入正常的额定电压工作。
图4—2 自耦变压器降压起动线路图
这种起动方法的特点是它能将起动电流减小到直接起动时的(K=U1/U2),但起动转矩也减小到
1k21k2倍
倍。
2) Y-△降压起动。这种起动方法只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机。起动时,将定子绕组接成Y形,使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的1/3,当电动机接近额定转速时,利用开关改接成三角形,使电动机在额定电压下运行,如图4-3所示。起动电流转矩降为直接起动的1/3。
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图4-3 Y —△起动线路图
由上分析可见,鼠笼式异步电动机降压起动时起动电流减小的同时,起动转矩也减小。因此仅适用于对起动转矩要求不大的场合。Y-△起动方法设备简单。价格便宜、应优先采用。自耦变压器降压起动可根据需要选用不同的电压抽头,较灵活、方便,但价格较贵。 4.1.4.2 绕线式异步电动机起动
绕线式异步电动机具有可在转子回路中接入阻抗元件的特点,因此,适当增加转子的电阻,可以达到降低起动电流,增大起动转矩的目的。
a). 转子串电阻起动
图4-3 转子串电阻起动
I-不串电阻时M=f(s)曲线;II-串电阻时M=f(s)曲线;
转子电路接入适当的电阻,则转子电流减小,因而,定子起动电流Ist减小。转子回路串入电阻的M=f(s)曲线如图4-3中曲线II所示。
起动完毕后切除全部电阻。把三相转子绕阻短接。 b)、转子回路串频敏变阻器起动
转子回路串频敏变阻器起动原理与转子回路串电阻起动相同,不同的是
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频敏电阻随着转子频率升高或下降而自动增大或减小其电阻值,从而实现电动机的无级平滑起动。
绕线式电动机转子串入电阻起动虽然起动性能好,可以在重载下起动,但设备较复杂,投资较高,维护工作较多。
由于发电厂厂用电容量都选取较大,同时为了节约投资,减少故障,发电厂厂用电动机一般均采用直接起动的方法(对起动转矩有特殊要求的除外)。
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4.2 厂用电动机的运行
4.2.1 异步电动机的运行操作、监视检查和维护 4.2.1.1 电动机的运行操作:
a) 电动机的停、送电操作应由有资格的巡检员进行。而电动机的起、停操作应由有关值班人员进行。
b) 电动机的停、送电操作应遵守倒闸操作安全工作规程条文,严格执行操作票和操作监护制度的有关规定。特别要防止带负荷拉、合刀闸。
c) 电动机送电前,要了解该电动机的检修工作是否结束,有无有关的工作票,即符合送电的条件。送电前应对电动机的控制设备包括各引线及其系统作全面检查,电动机的绝缘值必须符合要求。送电操作中,应将电动机的操作动力电源全部送上(即处于热备用状态)。这时如果一经机械值班人员操作。电动机即可投入运行。
d) 电动机送电后,送电的巡检员应向班长和值班员汇报,并作好操作记录。
e) 电动机的停电操作,应在电动机停转且机械值班人员已作好隔绝措施以后进行。并根据停电后是机械作业,还是电气作业或者是机电同时作业等不同情况,分别进行操作和执行有关安全措施,停电操作也须作汇报和记录。 4.2.1.2 电动机的起动
a)、电动机起动前的检查:
l)电动机周围应清洁、无杂物、无漏水、漏气,且电动机及其拖动的机械设备上无人工作。
2)电动机及其控制箱应无异常现象,外壳接地应完好;电动机引线已接好。
3)机械部分应完好,旋转部分外露者应有装置完善的防护罩。 4)如果电动机停运的天数超过规定的时间或可能受潮时应测量其绝缘电阻合格。必要时采取烘干措施。
5)电动机底座螺栓应牢固不松动,轴承油的油位和油色正常。 6)用手盘动机械部分,应无卡住、摩擦现象。
7)检查传动装置应正常,例如传动皮带不应过紧或过松,不断裂,联轮器完好等。
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8)有关各部分测量元件的显示或指示正常。
9)冷却装置完好,水冷却器水源应投入,且无漏水情况,压力、流量正常。
b)、电动机的起动
1)对大、中容量的电动机,起动前应通知值班长并采取必要的措施以保证电动机能顺利起动。
2)电动机的起动电流很大,但随着电动机转速的上升,在一定时间内,电流表指示应逐渐返回到额定值以下。如果在预定的时间内不能回至额定电流以下者,应停用电动机,并会同各有关部门查明原因,否则不允许再行起动。
3)电动机起动时,应监视从起动到升速的全过程直至转速正常。如起动过程中发生振动、异常声响、着火等情况,应立即停用。
4)对新投运的或检修后初次起动的电动机,应注意其旋转方向必须与设备上标定的方向一致,否则应停电后纠正。
c)、电动机起动次数的规定
正常情况下,鼠笼式电动机的起动次数应遵照制造厂规定执行,无规定时,一般允许在冷态下起动两次,且每次间隔不少于5分钟;允许在热态下起动一次。大容量电动机的起动间隔不得小于0.5~l小时。
在事故处理及电动机的起动时间不超过2~3秒时允许比正常情况下多起动一次。
对绕线式转子的电动机,由于转子回路内增加了电阻,改善了起动特性,使起动电流大大减小,因而对起动次数设有专门规定。 4.2.1.3 电动机运行中的监视
运行中电动机的检查项目:
a) 监视电动机电流应不超过规定值。
b) 电动机各部分的温度不超过额定值,测温装置完好。 c) 电动机及其轴承的声音正常,无异常气味。 d) 电动机的振动、串动不应超过有关规定。
e) 轴承润滑情况良好,不缺油、不甩油,油位、油色正常,油环转动正常,强制润滑系统工作正常。
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f) 电动机冷却系统正常。
g) 电动机周围清洁、无杂物、无漏水、漏汽现象。 h) 电动机各护罩、接线盒、控制箱等无异常情况。 4.2.2 电动机的许可运行方式 4.2.2.1 电动机的允许温度与温升
电动机在运行过程中所产生的各种能量损耗(铜耗、铁损、附加损耗等),都转化为热量。引起电动机线圈、铁芯及轴承等温度升高。在发热与散热相平衡的情况下,电动机的温度与环境温度之差,称为电动机各部分的温升,即:
θ= t-te 式中t—允许温度
te—环境温度
异步电动机的允许温升是指在一定环境温度(一般规定为35℃或40℃)时,电动机温度与周围环境温度的差值。这一数值一般是制造厂根据电动机使用的绝缘材料决定的。
当电动机处于过负荷或冷却不良状态时。其温度很快超过规定值,这时,即使不会立即烧坏,也将使电动机的寿命因绝缘加速老化而缩短,例如,A级绝缘的电动机,当线圈温度比允许值升高8℃运行时,电动机的寿命将缩短一半。
如上如述,电动机允许温升是根据电动机的绝缘等级而规定的。因为每一种绝缘材料的耐热极限温度是一定的,常用的绝缘等级为A、E、B、F、H级。根据国标GB755-87旋转电机基本技术要求的规定,在海拔不超过1000米、环境温度不超过40℃的条件下,空冷电机以额定功率运行时各等级绝缘材料的温升限值为:
功率为5000kW以下电机的交流绕组,各级绝缘材料对应的温升限值分别为:60℃、75℃、80℃、105℃、125℃。
功率为5000kW及以上电机的交流绕组,各级绝缘材料对应的温升限值分别为:60℃、75℃、80℃、100℃、125℃。
电动机冷却空气温度的高低,对其各部分的温度有很大影响,所以在电动机运行中,还要考虑冷却空气温度变化时,负荷应在相应的变化范围内控
159
制。
4.2.2.2 电压及频率的允许变化范围
电动机的电磁转矩与外加电源电压的平方成正比,因此,电动机外加电压的变化直接影响电动机的转矩,若电源电压稍有降低,电动机转矩将会变小,通常由于机械负荷不变,将使电动机转速下降,引起电动机负载电流增大。但由于空载电流随电压的降低而减小,此时,由负载电流和空载电流合成的定子电流一般变化很小,通常情况下因负载电流的增加略占优势而使定子电流稍有增加。
在低电压情况下,起动转矩相应减小,从而使电动机的起动时间延长,甚至发生不能起动的情况。对运行中的电动机,当电压大幅度下降时,可能造成停转。
当外加电压增加时,电动机的磁通增加,转矩增大,转速略有升高。但如外加电压增加较多时,由于磁路饱和,激磁电流急剧上升,使铁芯严重发热,且影响电动机的绝缘。一般规定电动机在-5%~10%额定电压变化范围内运行。
另外,还应注意保持外加三相电压的平衡。因为在三相电压不平衡的情况下,三相电流也不平衡,导致电动机的温升增加和电磁转矩减小。因此,电动机应在三相电源电压基本平衡的状态下工作。为此规定了三相电源电压的不平衡度不超过5%,即
UXUPUP100﹪≤5﹪
Ux—任一相相电压
Up—三相相电压的平均值。
当电源频率发生变动时,也将对电动机产生各种影响。我国工频交流电源的额定频率为50赫,如果供电电源的频率与额定值的偏差不超过±1%,即电源频率在49.5~50.5赫范围内变化时,电动机可以按额定工况运行。 4.2.2.3 电动机运行中产生振动的原因
a)转子不平衡、轴中心未对准或定转子中心不重合、轴承损坏。 b)所带动机械不平衡、轴承偏心、轴承间隙超标。 c)转轴弯曲。
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d)底脚固定螺栓松动。
e)三相电动机仅两相运行或个别线圈断线。 f)鼠笼式转子导体断裂等。
当电动机的振动超过标准时。应立即停用、检查原因并消除,否则,可能损坏设备,甚至烧毁电机。 4.2.3 电动机的故障处理
电动机运行中可能发生的故障种类很多,原因也很复杂。不少故障的现象很相似,但产生的原因却不一样。所以,要确定产生故障的原因,就必须进一步了解故障的各种现象。通过分析,才能作出正确的判断,从而消除故障。
电动机的故障可以分为三类:
第一类是由于机械原因引起的绝缘损坏,如轴承磨损或轴承熔化,电动机尘埃过多,剧烈振动,润滑油落在定子绕组上引起绝缘腐蚀而使绝缘击穿造成的故障等。
第二类是由于绝缘的电气强度不够而引起的绝缘击穿。如电动机的相间短路、匝间短路、一相与外壳短路接地等故障。
第三类是由于不允许的过负荷而造成的绕组故障,如电动机的单相运行,电动机的频繁起动,电机所拖动的机械负荷过重,电动机拖动的机械损坏或转子被卡住等,都会造成电动机的绕组故障。 4.2.3.1 电动机运行中跳闸
正在运行中的电动机如果突然发生故障信号,且电流表指示到零,指示灯信号显示开关跳闸,电动机停转,说明电动机已经自动跳闸。此时,值班人员应立即按下列原则和步骤处理。
a)、如果备用电动机自动投入,应复归信号,将各控制开关复归到对应的位置。
b)、将故障电动机停电,并检查原因。 电动机运行中自动跳闸的原因主要有:
1)电动机及其电气回路发生短路故障,由保护装置动作跳闸。例如,
电动机因绝缘损坏而短路,因绕组过热而烧断,因外界大量水浸入而短路或接地等。
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2)电动机所带机械严重故障,负荷急剧增大,而由过负荷或过流保护
动作跳闸。
3)电动机本身保护误动作跳闸,例如接线错误、继电器故障、保护整
定有误、直流系统两点接地等。此时,电气系统上无冲击现象。
4)电动机电源发生故障。如380伏电动机经常因电源电压瞬间降低或
失去而造成电磁接触器失压跳闸;或者是开关本身故障以及人为或小动物碰动开关引起。某厂曾发生过由于老鼠碰动开关机构造成跳闸的事例,也曾发生过因老鼠钻入电动机电缆接线盒造成短路而跳闸的情况。
5)电动机两相运行,如电源熔断器熔断一相、电源缺相、电缆断线、
开关一相接触不良等。
c)、根据电动机自动跳闸的原因,进行相应的处理。
运行中电动机自动跳闸后,值班巡检人员在处理时不能草率从事。例如,当检查发现跳闸原因为熔断一相或热电偶保护动作时,不应以单纯进行熔断器调换或复归热继电器后便要求重新起动,而是应先检查分析发生这些情况的原因。例如测量电动机绝缘电阻、检查机械部分是否有异物轧住等,情况正常后方可重新起动。如重新起动后又出现相同原因的跳闸时,则应通知检修人员处理。
另外,对热继电器的整定值,运行人员不得随意改动,必须由检修人员通过专用设备校验才能改变。以免由于整定值太大而烧坏电动机。 4.2.3.2 电动机起动时的故障
电动机起动时,当合上断路器或自动开关后,电动机不转,只听到嗡嗡的响声或者不能转到全速。这种故障的原因可能是:
a)定子回路中一相断线,如低压电动机熔断器一相熔断,或高压电动机断路器及隔离开关的一相接触不良,不能形成三相旋转磁场,电动机就不转。
b)转子回路中断线或接触不良,使转子绕组内无电流或电流减小,因而电动机不转或转得很慢。
c)在电动机中或传动机械中,有机械上的卡住现象,严重时电动机就不转,且嗡嗡声很大。
d)电压过低,电压过低时电动机启动转矩小,起动困难或不能起动。 e)电动机转子与定子铁芯相摩擦(俗称扫膛),等于增加了负载使起动
162
困难。
值班人员发现上述故障时,应立即拉开该电动机的断路器及隔离开关或低压开关,起动备用机组并用摇表检查故障电动机的定子和转子回路。对低压电机还应首先检查定子回路中的熔断器是否熔断或接触不良。 4.2.3.3 电动机运行中声音异常。
有经验的值班人员应能从电动机的异音中作出故障性质的初步判断。 a).机械方面的原因
1)电动机风叶损坏或紧固风叶的螺丝松动,造成风叶与端盖相碰,它所产生的声音随着碰击的轻重时大时小。
2)由于轴承磨损或轴心不正,造成电动机转子偏心,严重时可能使定、转子相擦,使电动机产生振动和不均匀的碰擦声。
3)电动机基础不牢或因长期使用致使底脚螺栓松动,因而在电磁转矩作用下产生不正常的振动。
4)电动机轴承内缺少润滑油形成干磨运行或轴承中钢珠损坏,因而在电动机轴承座内发出异常的“咝咝”声或不规则的“嚓嚓”声。
b). 电磁方面的原因
1)电动机带负载运行时,转速明显下降,并发出低沉的吼声,可能是三相电流不平衡、负载过重、或者是两相运行。
2)定、转子绕组发生短路故障,或者是鼠笼式电动机转子断条,则电动机发出时高时低的“嗡嗡”声,机身也伴随有轻微振动。
运行中遇到上述情况时,有条件的应投入备用机组。无备用机组者,则应视情况轻重分别处理。如对振动超出规定值、明显的两相运行等情况。应立即停用电动机;性质较轻者也应及早争取停用检查处理。 4.2.3.4 电流表指示上升或降至零
电动机在缺相运行时,其电流指示上升或为零(如果断线发生在安装电流表的一相时,电流指示即为零),伴随电动机温度升高,产生振动,且声音异常。
所谓缺相运行,就是三相电动机因某种原因造成一相失电时的运行。例如一相熔断器熔断或接触不良;供电电源失去一相电压;开关、隔离开关、电缆等一相断线或接触松动等均可能造成缺相运行。缺相运行时,如果电动
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机的机械负荷不变,即二相绕组承担三相绕组承担的负荷,电流必然增大。现以星形接线的三相电动机为例,来粗略分析电动机两相运行时定子电流的变化。
若电源C相断线,则该相电流为零,其余两相绕组串联后接在线电压上,每相绕组所加电压为
12线电压。正常运行时电动机功率为p123*U线I线cosφ;
缺相运行时,电动机的功率为P= 2·小不变。则会有3U线I线cosφ=2·
12U线Icosφ,假定电动机所带机械负载大
U线Icosφ,即
这里Ie为额定电流。
由于这个电流比一般过负荷电流大得多,又比绕组短路时的电流小,所以熔断器有时不会熔断;若回路中装有开关时,断电保护也不会动作跳闸。因此,缺相运行的电动机不能及时被发现,极有可能造成电动机过热烧坏。因此,在运行中发现电动机电流突然增大或降至零时,应立即检查是否了生了缺相运行,如确已发生,则应及时停用,并检查处理。
当负载增加或供电电压降低时,也会造成电动机电流上升,但其数值不大,容易判断。
如果运行中电流表突然失去指示,而电动机仍正常运行。这种情况可能由于表计或表计回路故障引起,这时可从电动机的温升和声音及振动等情况判断,不必急于停用。
在进行上述处理过程中,应及时汇报上级。需停用检查的电动机或机械设备,应在电源隔离后进行。 4.2.3.5 电动机的发热
运行中的电动机如发现本体温度显著上升,且电流增大时,值班人员应迅速查找原因并进行处理。
a)检查所带机械部分有无故障,是否有摩擦或卡住现象。如为机械部分的原因,应迅速起动备用机组,停用故障机组。
b)检查机械负荷是否增大。若属负荷增大,应设法减少负荷,并查明负
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荷增大的原因。
c)检查电动机通风系统有无故障,如属通风不良等原因,应迅速排除,否则,应采取强制风冷措施。对使用冷却水冷却者,要检查水温和流量是否正常,管道是否有阻塞现象,否则要减少负荷,或者起动备用机组后停用该电动机,以免电动机因过热损坏。
d)判断是否缺相运行,按前述原则处理。
e)检查电动机各相电流及振动情况,判断是否内部发生故障,根据检查结果,必要时应停用电动机,进行检查处理。 4.2.3.6 电动机起火
电动机运行中起火时,应紧急停用,并隔绝其电源,然后按照消防规程的规定,使用消防器材灭火。电动机为电气设备,可以使用的消防器材是1211、四氯化碳、干粉灭火器等。必要时应通知消防人员配合,并尽快汇报班长和值长。
4.2.3.7 在下列情况下,电动机应紧急停运
a)发生需要立即停用电动机的人身事故时。
b)电动机所带动的机械损坏至危险程度不能继续运行时。 c)电动机或其起动调节装置起火时。 d)电动机发生强烈振动时。
紧急停运电动机后,应立即汇报班长、值长。即使是重要的厂用电动机,在遇到上述情况时同样应停止其运行。但在下列情况下,则可先启动备用机组,然后停用(指有备用者)。
a)电动机有不正常声音或有绝缘烧焦气味时。 b)电动机内或起动调节装置内出现火花及冒烟时。 c)电动机的电流超过正常运行值时。 d)电动机振动超过允许值。
e)定子铁芯、线圈温度不断升高,超过允许值; f)密闭式冷却的电动机冷却水系统发生故障; g)电动机入口风温超过50℃。
备用机组的起动应尽快进行,无备用者仍应停用。
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