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1、旋转电机 状态监测与故障诊断,莱钢专业培训教材,绪论：电机的故障特点分析,故障识别必须对诊断对象的各种性能、结构、各种参数非常熟悉。 电机包含有以下几个独立相互关联的工作系统：电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统和通风散热系统。 电机组成部分：定子、转子、轴承装置、底板及一些附属结构（如风扇、换向器等）。 一个故障在电机上常常表现出多种的故障征兆。也有几个故障起因反映同一个故障征兆,笼型异步电动机因笼条断裂时，就会出现振动增加，起动时间延长，定子电流摆动，电机滑差增加，转速转矩波动，温升增高等故障征兆 一台直流电机运行中由于过载、机械振动、换向器变形、维护不当、湿度过低等诸原因，造成换向恶化
2、故障。 恶劣的环境和苛刻的运行条件，以及超过技术条件所规定的允许范围运行，往往是直接导致电机故障的起因,绪论：电机的故障特点分析,电机典型故障归纳： 1、定子铁心故障 通常发生在大型汽轮机发电机上，主要是铁心深处的过热问题 早期征兆是大的环路电流、高温和绝缘材料的热解 2、绕组绝缘故障 原因：绝缘老化，绝缘缺陷及引线套管受污染 主要症状：定子绕组局部放电量的增加。 3、定子绕组股线故障（发电机） 股线间短路产生电弧发电、可能发展接地故障或相间短路故障 征兆：水冷电机的冷却水中有绝缘材料热解产生的气体,绪论：电机的故障特点分析,4、定子端部线圈故障 运行过程产生的冲击力使定子端部绕组发生位移，从
3、而引发绝缘劣化和发生局部放电 征兆：振动和局部放电 5、冷却水系统故障 征兆：定子线棒或冷却水温度偏高、绝缘材料热解及可能引起的放电,绪论：电机的故障特点分析,6、转子绕组故障（异步电动机） 转子故障主要有转子导条断裂，这将引起转矩跳动，转速波动，转子振动以及过热等 最常见的检测方法是定子电流监测（监测效果较困难），常采用振动和绝缘材料热解监测方法。 7、转子绕组故障（发电机） 主要是匝间短路故障。匝间短路可能由于发电机在低速启动或停车时，槽中导体表面的污物引起了电弧，或者是巨大的离心力和高温影响了绕组和绕组绝缘。 匝间短路故障可引起局部过热甚至导致转子接地。 通用的监测方法是采用气隙磁密监测
4、，通过探测气隙磁密，可以确定匝间短路的数量和位置；监测轴承振动是否加强。,绪论：电机的故障特点分析,8、转子本体故障（各类电机） 主要由巨大的转子离心力、大的负序暂态电流和转子不同心引起 征兆：轴承处过量的振动,绪论：电机的故障特点分析,第一章 电机绝缘诊断,一、电机的绝缘老化,（一）电机绝缘老化,电机在长期运行后绝缘性能渐趋劣化， 绝缘结构的老化是各种劣化的综合表征。 造成电机绝缘结构老化的因素很多：,1. 电机绝缘劣化因素,表1 电机绝缘劣化因素及产生的劣化征象,2. 高压交流电机绝缘劣化过程,图高压交流电机绝缘劣化过程,（二）绝缘的特征量,1局部放电量、放电位置 设备内部绝缘(油、纸)若
5、存在杂质、气泡，它会导致其内部放电，日长月久就可能导致放电部位扩大，最后击穿。因此及早的监测其放电量和放电位置，并及时维修处理，可避免大事故发生。但开始发生放电时，其放电量很小，难以测量及定位。 2介质损耗因数 ( ) 介质损耗因数 是表明设备绝缘状态的重要参数之一，当测得设备的 大时，说明设备绝缘受潮，电导电流增大或内部有局部放电。设备正常时其值在0.10.8之间。,（二）绝缘的特征量,3泄漏电流 对于一些设备不能测量值时，也可用测量泄漏电流方法确定设备绝缘受潮或损坏程度。 4设备电容值 设备中若进水时，其电容值会增大，但漏油时，其电容值会减少。规程规定当电容值的偏差超出额定值-510范围，
6、应停电检查。 上述4项特征参数中，局部放电是反映绝缘状态最灵敏的量，其次 值、电容值、漏电流也可反映绝缘状况。,2. 电机绝缘诊断内容,（三）交流电动机的绝缘电阻,1、测量绕组的绝缘电阻和吸收比，应符合下列规定： 1）额定电压为1000V以下，常温下绝缘电阻值不应低于0.5M；额定电压为1000V及以上，在运行温度时的绝缘电阻值，定子绕组不应低于每千伏1M，转子绕组不应低于每千伏0.5M。绝缘电阻应进行温度换算。 2）1000V及以上的电动机应测量吸收比。吸收比不应低于1.2，中性点可拆开的应分相测量。 注： 进行交流耐压试验时，绕组的绝缘应满足本条第一、二款的要求。 交流耐压试验合格的电动机
7、，当其绝缘电阻值在接近运行温度、环氧粉云母绝缘的电动机则在常温下不低于其额定电压每千伏1M时，可以投入运行。但在投运前不应再拆开端盖进行内部作业。,2、测量电动机轴承的绝缘电阻 当有油管路连接时，应在油管安装后，采用1000V兆欧表测量，绝缘电阻值不应低于0.5M。,（三）交流电动机的绝缘电阻,（四）绝缘诊断的程序,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,测量绝缘系统整体性的直接方法是直流、交流和(或)冲击耐压的击穿强度试验. 目前对新机和在役机组普遍采用的诊断性试验主要包括： 绝缘电阻及极化指数、 直流耐压及泄漏电流试验、 交流耐压试验、 介损增量试验、 局部放电测量; 另外还有手包绝缘表
8、面对地电位试验、槽放电试验、紫外光检测电晕试验等。,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,1、绝缘电阻及极化指数 影响绝缘电阻值的主要因素包括：表面杂质(油污、绝缘表面受潮的粉尘、防晕层等)、湿度、温度、试验电压幅值、剩余电荷。 该试验对于发现绕组脏污和吸潮是非常好的方法，当然也能够发现绝缘裂缝或穿透性绝缘故障。 绝缘电阻表电压等级的选择：500以下电气设备，选用额定电压为500V1000V的绝缘电阻表，额定电压在500V以上，选用1000V2500V绝缘电阻表。 判据：GB50150-1991 电气装置安装工程电气设备交接试验标准,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,2、交流耐压试
9、验 交流耐压的试验目的是发现绕组中的贯穿性缺陷。 试验电压等级：1.31.5UN 其基本出发点是：如果绕组在高于运行电压的耐压试验中未发生故障，当其投入运行时绕组应不会很快发生因绝缘老化而导致的故障。 由于交流耐压试验中绝缘系统的应力分布与运行中相同，因此更易于找到在系统有相对地故障时、非故障相过电压可能导致的定子故障。 耐压试验的结果是通过或未通过，没有其他评估信息。,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,3、直流耐压及泄漏电流试验 交流耐压试验中绝缘系统的应力分布取决于电容， 直流耐压时电压的分布取决于绝缘系统各部分的绝缘电阻，绝缘电阻小的部位承受电压也低。 与交流耐压试验相比，直流耐
10、压试验具有试验设备轻便、对绝缘损伤小和易于发现设备的局部缺陷等优点。 直流耐压试验电压等级一般约为工频耐压试验时的1.61.8倍，时间是1min。 当一种线圈进行直流耐压试验时，其余各绕组和机壳必须接地。如交流定子绕组中性点可打开，应分相做直流耐压试验。,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,4、介损增量试验 介损试验：是用于确定高压定子线圈中是否发生局部放电的间接方法， 由于局部放电大小可反映发电机绝缘系统劣化的程度，所以从介损增量试验中可以看出绝缘中是否存在比较普遍的缺陷。 理论上，在较低电压时绝缘的介质损耗与电压无关，而当电压升高时，如果主绝缘中存在的空隙发生局放，局放产生的热、光、
11、声所消耗的能量就表现为损耗的异常增加，测量的介损值相应增加，将超过正常因介质损耗而产生的数值。,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,5、局部放电试验 局部放电是引起许多定子绕组绝缘故障产生的原因，也是早期故障的重要信号 局放试验是评估定子绕组状态的很重要的一个诊断性试验。 局放脉冲的时间是毫微秒级的，其频谱最高到几百MHz 使用可以测量高频信号的仪器就可以探测到PD脉冲电流。,5、局部放电试验（续） 局放试验的关键是被测量Qm （最高局放脉冲的幅值（最大视在局放量）) 按照测量方法的不同有以下几种单位。 1) pC：实验室使用比较多，比较直观； 2) mV：在示波器和脉冲幅值分析仪(PM
12、A)上读取，PMA还可以计算每段幅值脉冲的个数； 3) mA：使用工频TA在示波器上读取； 4) dB (分贝)：使用频谱分析仪记录脉冲时使用。,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,5、局部放电试验（续） 理论上每个PD 脉冲的幅值与空隙的大小成正比，PD越大说明该缺陷越大。 与介损试验相比，介损反映的是绕组整体存在空隙的情况， 而最大视在局放量反映的是绕组中最劣化部位的状态。,5、局部放电试验（续） 电机的工作电压相对较低（6-20KV），但电机的绝缘处于气体介质中，放电容易发展，放电量较大； 固体绝缘的抗放电能力远大于油纸绝缘，故电机要可监测
13、到得最小危险放电量比变压器高； 日本规定：对3.3、6.6KV电机在4.5KV试验电压下，允许放电量为5000pC;11KV电机，在6.35KV试验电压下，允许放电量为10000pC； 我国没有明确标准，目前可考虑设置报警值为106107pC。,（五）大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览,（六）电机绕组绝缘的有关规定标准,DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程 广泛应用于大型电机检修和预防性试验，各项试验的限值规定较为明确，操作性较强，但试验项目未包括局部放电、介质损耗增量等诊断性项目。 DL/T 492-1992 发电机定子绕组环氧粉云母绝缘老化鉴定导则 老化鉴定准则，补充了这方面
14、的内容。 具体规定见下页表,二、 电机局部放电诊断 （主要针对高压电机）,1. 电机离线时局部放电测量,测量系统由施加试验电压和高频电压检测两部分组成（见下页图）。 外施电压部分：与交流工频耐压试验相同 高频电压检测部分： 局部放电信号：由高频耦合电容器上拾取 测量仪表：局部放电电量仪，测量和记录局部放电电荷量Qmax。,1. 电机离线时局部放电测量,电机局部放电试验线路图 T1调压器； T2试验变压器； R限流电阻； PT电压互感器； V电压表； M被测电动机； CA、CB耦合电容； L、C测量回路电感电容； V1脉冲峰值电压表,关于电容耦合器： 通过对各种电容耦合的研究显示，当应用80pF
15、电容时，信噪比增大。这种电容更能检测高频，同时比更大的电容具有更低的电噪声敏感程度。 局部放电受到电压的极大影响，线圈离线端部越远，运行电压越低。因此，和发生在线端部线圈的PD幅度相比，相端部以下几圈线圈中发生的PD的大小明显降低。而绝大部分导致PD发生的老化都发生在相端的线圈，这正是80pF电容最敏感的地方。 研究表明，采用安装在定子上的80pF传感器测量得到的类似局放脉冲(干扰)上升时间远远大于10ns，而定子局放脉冲上升时间通常小于10ns。通过测量检测到的每一个脉冲上升时间，数字逻辑即可通过脉冲形状来区分定子局放信号和类似局放信号。,1. 电机离线时局部放电测量,1. 电机离线时局部放
16、电测量,测得的曲线上： 如 放电起始电压Uc较高，则可认为该电机局部放电是正常的； 当放电电量较大，放电起始电压又较低，如图中虚线，则说明电机局部放电现象较严重，需进一步诊断其原因和放电主要部位。,电机局部放电曲线,2. 发电机局放在线监测系统,组成：系统采用高频宽带电流传感器、宽带前置放大电路、窄带信号检波和报警单元、包括DSP信号高速采集模块的工控机和高性能服务器等，组成宽带加窄带的系统硬件配置方式（见图）。 系统的信号源为发电机中性点，在发电机中性线上安装高频宽带电流传感器(CT)，在传感器附近配置宽带前置放大电路，传感器的输出信号经宽带前置放大电路进行宽带放大和阻抗匹配后，再利用50同轴电缆将信号送往距现场较远的后级窄带处理单元和宽带处理单元分别处理。,2. 发电机局放在线监测系统,HSB-1型局放在线监测系统结构图,2. 发电机局放在线监测系统,宽带处理单元将宽带前置放大器送过来的宽带信号经隔离后送到DSP高速采样系统。 由工控机和服务器对信号进行抗干扰处理和提取特征参数后存入局放信号
