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1、电气设备故障诊断,第三讲：各类故障的特征量（1.电量）,序：故障诊断的任务,故障定义为“设备在它应达到的功能上丧失了能力”。 故障包括：使设备立刻丧失其功能的破坏性故障；降低设备功能的但没有完全丧失功能的功能性故障；人为的误操作停车故障。 产生故障的原因有人为误操作、由正常磨损或疲劳使机械设备达到其自然寿命、非正常因素以及环境影响等多方面的因素。,诊断技术的任务是“识别现状、预测未来”。 发现破坏性的故障，这种信号一般称之为故障信号；预防功能性故障的发展，这时采集的是异常信号，它是设备部分缺陷的外在反应（现状）。 故障信号和异常信号都是有用的状态量。,设备状态量及监测技术,状态量是设备运行中出
2、现的各种正常和异常特征信号量的总称。 设备状态量可以分为运行状态量和生产过程状态量。,1. 运行状态量,设备运行中会经常发出声音、振动、温度等多种信号。这些信号可以被感觉或测量出来。 与设备运行状态相对应的有正常信号和异常信号，采集并识别这些信号，经过分析可以识别和判断出设备的缺陷和故障。,机械量信号 与生产功能无直接关系的信号，如振动、声音、轴承温度等； 与生产功能有直接关系的信号，如汽轮机的汽压、汽稳、转速等。 电磁信号 有电压、电流、频率、局部放电电荷、磁场强度等。 化学信号 如绝缘油含烃量、润滑油酸阶等。,2.生产过程状态量,生产过程的各个环节是相互联系的。在正常运行时，各生产过程参数
3、（输入、输出等）呈一定的比例关系。,各项参数间比例失调，就表示设备内部存在有缺陷,3. 状态量的采集方法,检查 感官直接（看，听，嗅，尝，触），能检测出定性的模糊量 测量 分为运行中的在线测量和停机中的离线测量（可测、有量） 检测 主要指对停机或维修解体中设备的检查与测量 监测 在运行中，对设备的某些状态量的定期或连续的测量,通常监测的状态量参数,监测输入量输入量泛指作用于设备、推动设备运行和导致设备劣化的各种输入量。输入量监测的目的在于查明异常或故障的来源，同时根据实际情况，进一步推测设备的运行可靠性和使用寿命。 输入量有许多种类，如机械力（拉力、压力、扭力、疲劳应力等）、化学作用、电或磁力
4、的作用力等等。,监测运行状态量设备发出运行状态量有主动和被动两种方式。 主动发出的信号：主要是具有转动部件的设备，在运行中常会发出振动、热量或声音、光等信号，统称为一次信号。 被动发出的信号：主要针对静止的设备或没有运动部件的设备，必须采取预加一定量的输入，迫使设备发出信号（即二次信号），借以诊断设备的内部状态。取得二次信号的方法有：外部刺激法、照射法、涂敷料法。,监测输出量确定设备的功能指标,诊断的常用技术,电流分析法监测负载电流幅值、波形并进行频谱分析，可诊断出电机的转子绕组断条、气隙偏心、定子绕组故障、转子不平衡等缺陷； 电流频谱分析是诊断和监测交流电机故障的有效方法，它可以诊断交流电机
5、笼型绕组的断条、静态气隙偏心、动态气隙偏心、机械不平衡等故障。 振动诊断对振动信号进行信号处理和分析； 绝缘诊断利用各种电气试验和特殊诊断方法，对设备的绝缘结构、工作性能和是否存在缺陷做出判断，并对绝缘剩余寿命作出预测； 温度诊断对设备各部分温度进行检测或红外测试 振声诊断对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号,输入/输出的电量,变电设备变压器、电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、耦合电容器、避雷器等。 电机主要指发电机和高压电动机。,避雷器：工作电压下流过避雷器的电流及其变化 电磁式电压互感器：工作电压下的励磁电流及其变化 耦合电容器：工作电压下流过绝缘的电流I0及工作电压下的噪音干扰
6、 三相电容型设备：工作电压下每相流过绝缘的电流I0和三相选频电压U0值 电力变压器及电机：电压、电流（空载励磁电流、负载电流、不对称电流等）、频率、有功及无功功率等,特殊电磁量,例：发电机轴电压的测量,600MW发电机轴电压的测量 发电机冷却方式为水氢氢，即定子线圈采用水内冷，转子线圈采用氢内冷，定子铁芯及其它结构件采用氢气表面冷却。 为了防止轴电压，在励磁端的轴承环和用来阻止氢泄漏的油密封装置处，利用聚脂玻璃叠片做成绝缘板，绝缘板有绝缘电阻测量引线引出机外，为日后测量绝缘板好坏提供了方便,一 试验目的 发电机组由于某些原因引起发电机组轴上产生了电压，如果在安装或运行中，没有采取足够的措施，当
7、轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜时，便发生放电，会使润滑冷却的油质逐渐劣化，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。所以在安装和运行中，测量检查发电机组的轴及轴承间的电压是十分必要的。,二 产生轴电压的原因 1.发电机磁通的不对称 2.高速蒸汽产生的静电 由于在发电机同轴的汽轮机轴封不好，沿轴的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸内高速喷射等原因使轴带电荷。这种性质的轴电压有时很高，当人触及时感到麻手，但它不易传导至励磁机侧，在汽机侧也有可能破坏油膜和轴瓦，通常在汽机轴上接引接地炭刷来消除。,U1：汽端轴对地电压 U2：大轴电压 U3：励磁端对地电压 U4：轴承绝缘板对大轴 U5：轴承绝缘板对机座 U6：油密
8、封装置绝缘板对大轴电压 U7：油密封装置绝缘板对机座电压,在20MW(发电机电压20.3KV,无功0MVAR,励磁电压150DC,励磁电流1700A) 和605MW(发电机电压20.3KV,无功100MVAR,励磁电压316DC,励磁电流3532A)负荷下 用Fluke87分别测量以上电压,U2=U3=U4+U5，绝缘良好,局部放电,局部放电是发生在电极之间不完全连同的放电。 局部放电来源于设备绝缘的局部缺陷，例如固体绝缘的空隙、液体绝缘的气泡与杂质；不同绝缘层之间配合失调；绝缘体或导体的棱角、毛刺，导体间存在接触不良的部位等，在外加电压的作用下产生的放电现象。这种放电反应过程会产生带电离子相
9、互碰撞，同时也冲击到绝缘介质引起绝缘材料出现白痕或树枝状放电痕迹。,局部放电能促使绝缘油的分解，使绝缘性能降低，当进一步降低时就会产生绝缘击穿现象。 局部放电反应了绝缘或导体间的电气性能的缺陷，可作为识别故障的有效的特征量。,局部放电装置应到达以下要求。 监测有害的局部放电 鉴别发生放电的类型 诊断电气设备绝缘老化或缺陷状态,变压器局部放电示意,发电机局部放电示例,在实验室条件下，采用高压电机定子线圈为试样，模拟了大型发电机中常见的典型放电：大型发电机定子线圈绝缘内部放电；主绝缘与铁心之间的槽放电；绕组端部防晕层不良造成的放电，以及由于绕组定、转子漏水、渗油使端部绝缘受潮和污染产生的端部放电等
10、。图1、图2、图3给出了采用宽频局部放电监测系统采集到这几种放电的时域波形。,内部放电波形 端部放电波形 电晕放电波形,发电机局部放电示例,对秦岭发电厂某机组进行了放电监测 从监测结果可以看出，电机内部存在较大的干扰，干扰信号的幅度比放电信号大上百倍。,现场采集到放电信号的时域及频域波形。 可见，信号的主要频率分量在低频1MHz以下。采用30阶FIR的RLS自适应滤波器进行数字信号处理，该滤波器的噪声抑制率为40db。,发电机局部放电示例,对秦岭发电厂某机组进行了放电监测 从监测结果可以看出，电机内部存在较大的干扰，干扰信号的幅度比放电信号大上百倍。,自适应滤波器消除干扰后得到放电波形的分析结
11、果 采用自适应滤波器消除干扰后，在整个频域上信号的各个频率分量幅值相当且幅值较小，说明无危害性放电存在。,转子断条的简单分析,直接起动的交流电机起动电流大（5-7Ie），在很短的起动过程中，笼型绕组或阻尼绕组承受很高的热引力和机械应力，致使笼条或导条和端环在很高的应力下疲劳断裂。 直接起动的大电流还会在绕组端部产生很大的电动力，使发生变形和产生振动，造成绝缘的机械损伤和磨损。,在冷却效果较差时，起动电流产生的热应力较大，当在重载或频繁起动情况下，笼条、端环焊接处是经常发生开焊和断裂的部位。,转子断条的发生发展过程： 在即将断裂的部位经常出现过热、很高的热应力和机械应力； 达到疲劳极限时，笼条断
12、裂，并产生电弧； 在连续起动时，相邻的笼条通过更大的电流，并将承受更大的机械和热应力； 造成更多笼条断裂，故障扩大，产生较大的单边磁拉力，使电机产生振动、噪声、定子电流摆动和温升增加、转速波动。,定子电流检测诊断断条的原理,理论上，定子电流的频率是单一的，即电源频率。 当转子回路出现故障时，定子电流频谱图 上，在与电源频率相差2倍转差频率2sf的位置上将各产生一个旁频带，由于其调制作用，定子电流将产生节拍性变化，电流周期性的脉动将使电流指针发生摆动，转矩也随之脉动，转子转速也同样波动。 边频电流的幅值与基波比值大小，与转子断条程度有明显的直接的关系。 特征：边频分量随负载增加而增加 随故障程度加重而加重。,
