电动机的火灾危险性

出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第三卷》第1301页（9112字）

旋转电机中用的最多的是异步电机。广义上说，凡是旋转和其所接的交流电源的频率无严格不变关系的电动机都是异步电动机。异步电动机一般都作为电动机运行。异步电动机中尤以交流三相异步电动机用的最为广泛。异步电动机的应用已有近百年的历史。其理论现在已基本成熟，这为我们讨论问题带来了很大的方便。

异步电动机的优点是：由于它没有直流电机整流子那样复杂而笨重的部件，也没有像交流同步电动机那样需要单设一套直流励磁电源，这就使它具有诸如构造简单、制造方便、价格便宜、坚固耐用、起动方便、运行可靠、节省有色金属和运行中的维护检修方便等。并且效率高、重量轻、体积小。因此，迄今为止它已经成为工业的重要动力。

异步电动机的缺点是：调速性差，不能经济地在较广泛的范围内实现无级调速；需从电网中吸取感性无功电流，以建立其主极磁场，使电网的cosΨ变坏；过载能力一般比直流电机和同步电机为低。这些缺点在某些场合下限制了它的应用。

然而大多数工业生产机械负载并不要求其速率作显着变动；电网的cosΨ又可借其他装置加以补偿，所以异步电动机仍是各种电动机中应用范围最广泛的一种。各种场合几乎都有它在工作，所以运行中容易受到潮湿、脏污和酸、碱及其气体的侵蚀，也经常受到振动、短路电流的电动力、热胀冷缩等影响而发生气隙，故也易于造成游离击穿或短路。旋转电机的绝缘水平是电力系统中极其薄弱的环节。

电气设备的火灾从根本上说是由于设备本身的故障所致，因此要预防乃至杜绝电气火灾，就必须对电气故障的原因进行细致深入的研究，在实际工作中必须考虑到发生某种程度的故障的可能性，以及熟知排除故障必须采取的应急措施。只有这样方能防患于未然，才能有效地杜绝或把故障损失限制在尽可能小的范围内；可见就其在工业中的重要地位而言，分析研究电动机的安全运行、防火、防爆是具有普遍重要意义的。

异步电动机的火灾危险性在于其内部和外部的诸如制造工艺和操作运行等种种原因所造成的发热而引起的。主要有：电源电压波动、频率过低；电机运行中发生过载、闷车(卡住)、碰壳(定子与转子相碰)；电机绝缘破坏，产生漏电，甚至发生相间、匝间短路；绕组断线或接触不良；以及选型和起动方式不当等。

可见，异步电动机事故的形成乃至起火既有电气方面的原因也有机械方面的原因。而它们有时不是孤立的，电气原因可能引起机械方面的故障或事故，反之亦然；有时呈互为因果的恶性循环。电动机的主要起火部位是绕组、引线、铁芯和轴承。现就其主要火灾原因进行分析。

(一)过载

过载即是电动机所带机械负荷大于电动机的额定输出机械功率，换句话说是电动机所带机械阻转矩大于电动机额定输出转矩。电动机的过载原因一般多是由于选型不当，造成所谓“小马拉大车”现象，转子与定子互相摩擦(扫膛)，使机械阻转矩增大；电气方面则有电源电压下降过多，引起输出的电磁转矩剧烈下降，接近或小于负载转矩；或由于负载方面故障使负载转矩突然上升，严重时出现负载转矩大于电动机的最大输出转矩M_max，结果造成“闷车”(电动机带不动负载而停机、停转)；有时转子被卡住(这时理论上阻转矩最大或称无限大)即属闷车。

电动机过载后会出现如下现象：

1．电动机定子过电流；

2．电动机整机或局部过热；

3．电动机发出不正常的“嗡嗡”声；

4．电动机转速明显下降；

5．电动机及其所带的负载机械发生不应有的振动；

6．绕线式异步电动机电刷火花较大。

从交流三相异步电动机的机械特性曲线．S=f(M)上(图4－5－1)可见，AB段为稳定工作区，BQ段为不稳定工作区。我们知道，电动机在稳定工作区即使负载转矩M_f有一点波动，电动机也会稳定在工作点；而在不稳定工作区，M_f一有波动就会脱离工作点，要么向下漂移而停机，要么向上漂移进入AB段。正常情况下，电动机负载转矩M_f≤M_e，电动机一经起动就会在AE段的某一点上稳定的工作。此时若电动机因上述原因引起过载，反映到机械特性上就会有两种情况：一是M_e＜M_f＜M_max；二是M_f＞M_max。现分别分析如下：

电动机工作在EB段属于第一种情况，因这时电动机仍工作在稳定区，故尚能运转。

过载经过及各量变化描述如下：在AE段工作的电动机因某种原因M_f突然增加，在最初瞬间电动机输出转矩小于M_f，故其由于制动，转速开始下降(即n↓，S^{，工作点沿曲线向右移动，使电机转矩得以增加，电机工作在EB段。由转子相电流知转子电流I↓（2}增加。I₂的增加引起I₁的增加。定子电流I₁的增加致使电机过热甚至燃烧。

式中：I₂－—转子相电流；

S——转差率；

E₂——转子不动时，转子每相感应电动势；

R₂——转子绕组每相电阻值；

X₂——转子不动时，转子每相电抗。

由图4－5－1还可看到，在工作点越靠近A点且当M_f增大时，而电机转速变化不大。但是，在M_e＜M_f＜M_max时，M_f越接近于M_max，过载越严重。就是说，M_f越靠近M_max，转差率S增加越大。这样会造成I₂快速增大，电机过热，甚至电机会在短时间内因过热而烧毁，亦可能进而引起火灾与爆炸。

图4－5－1 三相异步电动机的机械特性S=f(M)

因为当M_f≈M_max时，电动机工作于极不稳定的临界状态，若这时M_f稍有波动，如M_f＞M_max(即第二种过载)，工作点就会越过M_max(即由图4－5－1中曲线B点左侧，经B点而进入其右侧区段)工作于不稳定区，电机的转速会沿着曲线一直下降而最后停止运转(n=0)，这就是所谓的“闷车”。可见，运行中的电机因负载转矩M_f增加而大于M_max或转子被卡住都属闷车，只是后种情况对电机来说从理论上M_f=∞，这时电动机的定子电流I₁猛增至I₁=(6～7)I₁₀，这也和电动机处于起动状态而起动不了是一样的；这时若无保护装置或手动及时切断电源，绕组即刻会严重过热继而烧毁。

(二)单相起动和运行

1．单相起动

三相交流异步电动机在起动前因电源一相未接入定子绕组内，起动时又未察觉而投入电源。这实际上是把一个三相交流电源的线电压加到三相Y接(或△接)电动机的两个串连的定子绕组上(Y接绕组中点不与中线相连，若定子为△连接，则根本无法引入中线，断线情况可详见图4－5－2。

图4－5－2 三相异步电动机一相断线

(a)星形连接的异步电动机绕组一相断线；(b)三角形连接的异步电动机绕组一相断线

这时，三相电动机变成了单相电动机，根据单相电动机理论，电源在绕组中产生一个交变脉动磁场。理论上可把该脉动磁场分解成两个大小相等而转速相反的两个旋转磁场。其中，与电动机转向相同的正向旋转磁场对转子的作用和三相异步电动机一样，它对转子的转差率为：

式中：S₊——正向旋转磁场对转子的转差率；

n₀——旋转磁场的转速；

n——转子转速。

因此，正向旋转磁场必然产生一个正向转动的电磁转矩M₊，它对电动机来说是拖动转矩，其与S₊的关系为M₊=f(S₊)。与之相反，反向旋转磁场产生使电动机反转的电磁转矩M_－，它相对来说是制动转矩。反向旋转磁场对转子的转差率与M_－和该转差率的关系分别为：

M_－=f(S_－)

式中：S——反向旋转磁场对转子的转差率；

M——反转电磁转矩。

转矩和转差率的关系可由图4－5－3表示出来。

图4－5－3 普通三相异步电动机单相运行时的转矩－转差率曲线

图中：曲线1－M₊=f(S₊)关系曲线

曲线2－M_－=f(S_－)关系曲线

曲线3－合成电磁转矩M=M₊+M

由以上分析及图4－5－3知，在电动机起动前发生缺相或断相，此时n=0，S₊=S_－=1，合成转矩M=M₊+M_－=0，异步电动机无起动转矩。因此在此情况下电动机不能起动。电源电压无反电势抵消全部消耗在定子绕组上，会造成很大的电流。这时机体会振动而发出嗡嗡声，如起动不了也不断掉电源，必然会烧毁电动机绕组，甚至引起火灾。

2．单相运行

运行中的三相异步电动机突然发生一相电源线开断，在失去一相电源情况下电机仍继续运行，而另外两相(指未断电源的两相)就流过了单相电流，这种运行状态称为单相运行(或称缺相运行)。

这时电动机的运行与起动前的缺相(缺一相电源线)是有本质不同的。因为这是在电动机运转情况下变为单相电机的。如图4－5－3，理论上若M=M₊+M_－＞M_f时，电动机便可以继续运转。但这时的M比原来三相运行时的转矩低了许多，电动机出力大为降低，很容易造成过载。另外，由原来的三相电源供给功率改为一相线电压供电，其线电流将增大许多，电机会发出嗡嗡声。反向旋转磁场还要产生附加损耗增加电动机发热。若这时不减小负载，定子线电流必然增加，超过允许值，如长期运行，势必烧毁绕组，甚至引起火灾。

(1)三相电动机单相运行的原因。总的来说有两个方面，一是电源方面，一是设备本身。具体可分类如下：

①电源本身缺相：上一级电源缺相，本级电源因熔断器或接触处断路而缺相。

②熔断器上的熔体压接不良或已被熔断。

③控制开关有一相发生假接。

④起动设备触头烧伤损坏、松动、接触不良等造成一相断电。

⑤电动机定子绕组连接时有一相未接牢，如图4－5－2中所示即属此类。

⑥定子绕组内脱焊、断路。

⑦气候恶劣或某种其他意外的偶然因素造成的电源一相断线。

(2)三相异步电动机单相运行的火灾鉴别。在负载不大的情况下，电机一旦发生单相运行，只要满足上述的M≥M_f就可以在短期内继续运行，但这样做危害很大，由上面的分析可知轻则烧毁电动机，重则必引起火灾。

在单相运行中，有的绕组中电流就增大为原来的1．73倍(倍)。再则熔断器的熔体是按额定电流的2倍(考虑到躲过电动机的起动电流)选取的，在此情况下不会动作(熔体的作用以保护短路为主)，所以带有负载的电动机在发生单相运转后，如果不能及时发现，及时处理，必然会烧毁电机，甚至引起火灾。

单相运转烧毁绕组的情况比较特殊，但若检查绕组烧毁痕迹，便可以明显判断是否由于单相运行所致。

图4－5－4所示是两极异步电动机采用星形接线时，发生单相运行时的线路示意图及绕组烧毁情况。其规律总是两份烧毁一份完好，按照2：1；2：1……顺序排列。多极电动机亦是如此。

图4－5－4 电动机单相运行时绕组烧毁情况(星形接线)

当采用三角形接线时，异步电动机发生单相运行绕组烧毁情况则有所不同(图4－5－5所示)。因其中一相过电流，而另外两相则正常，故绕组烧毁的情况为一份烧毁，

图4－5－5 电机单相运行时绕组烧毁的情况(三角形接线时)

两份完好，按1：2；1：2……顺序排列，多极电动机也与此相仿。

实践证明：当电动机单相运行或匝间短路时，有的绕组阻抗减小，电流增大，使导线本身发热。由于槽内本身空间极小，加以定子与转子间的空气隙也很小，空气不易流通，对散热不利，造成热量积聚，温度急骤上升，使槽内导线严重烧毁；而槽口的绕组外露部分，因有较好的散热条件，则烧毁较轻。如因外来(外部)火灾烧毁电机，则因为槽口绕组部分直接接触火源，故其烧毁情况比较严重；而槽内导线嵌压结实，空气中的氧极为有限，外部火焰又不易窜入，故烧毁情况比较轻微(可抽出导体加以鉴别)。根据上述两种不同情况的对比分析，可以得出两种截然相反的结论。这一特征在火灾原因调查中是极有意义的。

(三)电源电压波动

1．电源电压升高

电动机旋转磁场的每极磁通Φ是由定子电流所产生的，定子电流除了要产生磁场外，还要提供负载电流分量，只是在不同的运行条件下它们所占定子电流的比例不同。

电动机在空载运行时，无功率输出，定子三相绕组中通过的电流即是空载电流，这时I₁=I₀。空载电流又是由两部分组成的，一部分是产生旋转磁场的主磁通Φ，这是I₀的主要部分，称空载激磁电流分量。由于它是建立磁场的，故又称为无功电流分量。另一部分是用以产生一定的有功功率，去补偿电动机空载运行时的诸如：摩擦，通风(风耗)和铁损等，称为I₀的有功分量；因空载时各种损耗较小，故一般可以忽略不计。这样可以认为I₀基本上是无功性质的。我们希望I₀越小越好，否则因功率因数太低，电机运转性能变坏。我们知道，在正常情况下电机铁芯磁场基本处于饱和状态，这时空载电流I₀=(0．2～0．5)I_1e，数值较大。当电源电压U₁增加时，将导致I₀增加很多，其占I_1e的比重就会更大，这时相当危险的。

另一方面当电动机负载运行时，定子电流包含两个分量：励磁空载电流I₀和负载分量电流I_1f，则有I₁=I₀+I_lf成立。可见，这两个分量中任何一个增大都会导致定子电流的增加。当电源电压增大时，必然导致定子电流增加，可能超过额定电流使电机绕组过热。下面介绍一个电源电压升高的特例。

当异步电动机由Y形接法错接成△形接法后，定子每相绕组所承受的电压为原电压的倍，使电动机铁心高度“饱和”，I₀急剧增加，铁心损耗也大大增加，必将引起铁心过热。起动电流扩大为原来的3倍。定子相电流为原来(Y接时)的倍，与激磁分量之和要比电机额定电流I_1e大好几倍。如此之大的定子电流将使绕组铜损猛烈地增加，导致绕组严重地过热。由于铁心和绕组都严重过热，将使电动机被烧毁。

2．电源电压降低

众所周知，电动机的电磁转矩与电源电压成正比，即。可见，电源电压如有变动，对转矩的影响很大。由图4－5－6可形象地描绘出这种影响。

图4－5－6 对于不同电源电压U₁的M=f(S)

当电源电压降低，由于，所以M急剧下降，特性曲线发生偏移，转速降低(S上升)，致使定子电流I₁增加。这时，可能因转矩太小起动困难。电机若在轻载运行时，可能影响不大。但在重载下，尤其是满载运行时，U₁过低将引起负载电流分量增大的数值大于激磁电流分量减少的数值。这使定子电流增大、功率损耗加大，时间太长会烧毁电机。如果电压降低到使M_f＞M_max时，则发生闷车，电机被烧毁。

(四)内部绕组的短路故障

电动机的绕组一般是用漆、纱、丝包的铜(或铝)导线绕制而成。这些导线的任一处的绝缘如果破坏，就会造成相间、匝间或接地短路。如果短路是局部的，会造成起动困难，甚至起动不了。

如果是严重的匝间短路，在短路匝内将产生很大的环流，使绕组很快发热、冒烟、并发出焦臭气味。当短路匝数多时，会导致熔丝熔断，这时，由于电动机转子承受的电磁转矩不平衡而发生振动，同时发出不正常的嗡嗡声响。如果是相间短路，则会烧毁电动机。

造成上述情况的原因有：电动机长时间或经常处于过载状态；或短时间内重复起动，致使绕组长期过热，使导线的绝缘加速老化，绝缘强度降低。在过电流和过电压的冲击下使最薄弱处被击穿而短路。在电机绝缘嵌线时由于不小心碰伤绝缘，或不慎将硬质金属异物掉入电动机内，当运转时碰撞而损坏绕组绝缘，发生短路。

如果使用环境温度过高，受腐蚀性气体的侵蚀，绝缘强度会急剧下降。有时电机绝缘强度下降后在电网内发生瞬时过电压或大气过电压(雷击)，可能在某薄弱环节被击穿，也可能同时将几处或整个绕组绝缘击穿而发生短路起火。

(五)其他原因

1．接触不良

连接线圈的各个接点或引出线接点如有松动，接触电阻就会增大，通过电流后就会发热；发热即会加速该处的氧化速度，于是接触电阻进一步增大，形成恶性循环，最后将该接点烧毁，产生火花、电弧，或损坏周围导线绝缘，形成短路，引起火灾。

导线线端如接触不良，可能会发生断路，使电动机发生单相运行，烧毁电动机并起火。

2．选型不当

电动机选型不当有两个含义：一是指容量方面，如“大马拉小车”或“小马拉大车”都属于容量方面的造型不当；前者造成设备的利用率低，成本高，功率因数降低，耗能多等。后者造成过载，烧毁电机易引起火灾。

另一方面是指电机的型式。不同场所要选用不同型式的电动机，以适应生产和安全的需要。如：防护式(J型)用于一般机器上；在灰尘较多，水土飞溅的场所可选用封闭式(JO型)。制造厂根据不同的生产环境生产了各种型式的电动机，如果需要的话请参考有关资料。

3．机械摩擦

电动机是旋转机械，在旋转过程中存在着摩擦。最危险的是轴承磨擦。轴承摩损后会发出不正常的声音，引起局部过热，以致于使润滑脂变稀而溢出轴承室，从而使温度更高。当温度高过一定值时，会引起火灾。如果轴承球体被碾碎，电动机轴承被卡住，即电机会因过载而被烧毁。若轴承磨损严重，则会产生不同心和气隙不均，以致引起扫膛，这时摩擦部位温度可达1000℃以上，定、转子绕组绝缘都将被破坏而发生短路，严重的摩擦会产生火花。

4．铁损过大

三相异步电动机的能量损耗有：定子铜损(即定子电流在定子绕组中产生的电阻损耗)；定子铁损(即交变磁通在定子铁芯中所产生的磁滞损耗和涡流损耗)。这些损耗都将导致铁芯发热、温度升高。但电机铁芯系用软磁材料硅钢片制成，故磁滞损耗较小，而涡流损耗相对较大。若硅钢片的质量，规格不符合要求或片间绝缘强度太低时，都会使涡流损耗增大，从而使空载电流升高，如果再加上负载，很容易产生过载，使电机温度上升。