电机的在线监测与诊断

电机状态监测与故障诊断电机的故障特点与诊断内容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电机的故障特点与诊断内容电机典型故障归纳：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发电机中常用局部放电（PD）在线监测这类故障感应电动机中常用定子电流信号分析确定定子绕组故障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，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。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：轴承处过量的振动对不同故障进行相对应特征量的监测1、放电监测2、温度监测3、热解产生的微粒监测4、振动监测5、气隙磁密监测第一章电机红外诊断第一章电机红外诊断一、红外诊断基础1.红外线位置2.红外测温具有下列特点(1)测温范围广；-170℃～+3200℃。(2)测温精度高：可分辨0.01K或更小。(3)反应速度快：可在几毫秒内测出物体的温度。(4)可测小目标：最小可测出直径为7.5um的目标温度。(5)不接触被测物体，不破坏其温度场。(6)测距可远可近。3.红外测温与接触测温性能比较项目红外测温接触测温测温要求（1）知道被测物的发射率（2）被测物的辐射能充分抵达红外探测器（3）消除背影噪声（1）测温设备与被测物间良好接触（2）接触测温时，被测物温度不应有显著变化优点（1）非接触，对被测物体无影响（2）可测运动中的物体（3）可测瞬态温度（4）可对点、线、面测温（5）可测绝对温度，也可测相对温度（1）可测物体内部温度（2）要求精度高时，测温要求较简单缺点（1）仅测表面温度（2）要求精度高时，测温要求严格（1）对小目标的温度不能测（2）不能测运动中的目标（3）不适于测瞬态温度（4）测温范围不够宽（5）在生产过程中，不便于同时测多个目标4.红外热像仪红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）：是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。图10-2-8红外热像仪基本原理框图第七章电机红外诊断二、红外诊断技术1.红外诊断技术的构成一台运转中的设备，当其零部件产生故障时，设备的整体或局部的热平衡会受到破坏或影响，设备内部的热必然逐步到达其外部表面，导致外表温度场分布的变化。红外检测技术捕捉到这些红外辐射的信息，通过检测结果总结分析，可以发现:不同部位有不同的温度界限，同一部位在不同故障情况下有不同的温度等级。确诊出设备的故障性质、部位和程度，进而预测故障发展趋势和设备的寿命。如图所示红外诊断技术的构成2.红外热像仪的测温方法1．模拟量测温方法较早期的红外热像仪，利用热像仪输出的视频模拟信号测量物体的温度，实质上就是测量物体视频信号的幅度。2．智能化测温方法运用微处理机,摆脱模拟量的非线性校正和叠加的繁琐过程。通过多路模拟开关和A/D转换器分别获得被测物体图像信号电压与参考黑体温度电压的数值;然后根据各自的函数关系进行计算；比模拟量方法精确3．软件化测温方法配置有完整的图像处理系统，它包括相应的硬件和软件。利用该软件，测量并显示出目标及其热图像上任意位置点温度值的精确结果和区域分析结果等。三、电机红外诊断实例1.电机故障的产生、特征与发展（以发电机为例）实例1.发电机定子线棒接头故障红外诊断（1）基本原理绕组有电阻，通电发热当发电机容量确定后，线棒固有电阻即为定值。大型发电机，每相绕组线棒接头可达上千个，如果各接头接触电阻彼此不等，其中焊接不良的接头必然接触电阻大、发热量多和温升也高。因此，定子线棒焊接质量的红外诊断，实质上就是在向定子某一支路（或一相）绕组通入相同电流的条件下，用红外热像仪测量和比较各接头温度（或温升）来进行判别的。实例1.发电机定子线棒接头故障红个诊断图10-4-3实测一台50MW水轮发电机定子线棒接头温度分布直方图最右力部分为高温实例1.发电机定子线棒接头故障红个诊断（2）判据属于以下情况之一的线棒接头应该判为焊接质量不合格（或已出现焊接故障）1）热像不连续且温升超过平均温升10℃者；或温升超过平均温升10℃，且在温度分布直方图中远离温度连续分布区的接头。2）当已知接头绝缘层内外表面温度降时，在额定电流下，线棒接头表面温度推算到接头内的温度值超过110℃者。（3）图10-4-4发电机定子线棒接头焊接故障热像图实例2.定子铁心故障的红外诊断发电机定子铁心故障主要是铁心局部短路，这些短路点多数出现在定子齿部表面，也有些在槽部，但很少发生在铁心内部和轭背。实例2.定子铁心故障的红外诊断（1）定子铁心故障的红外检测方法在运行状态下，发电机定子铁心封闭在机壳内，无法进行在线监测；只能在静态下抽出转子，外施电源励磁，使定子铁心磁通密度接近额定值，借助铁损产生的温升进行铁心故障的红外检测。具体方法：通入的励磁电流应可使铁心产生约1.0T的磁通密度；测量铁心在圆周方向的磁通密度分布并作出曲线，利用原有铁心和线棒温度测点监视和控制铁心温度不得超过允许值(105℃)。在磁通密度1.0T下持续试验时间为90min，如果故障点不能明显暴露出来，试验磁通密度可增大到1.4T，持续时间为45min。实例2.定子铁心故障的红外诊断（1）定子铁心故障的红外检测方法水轮发电机：定子铁心轴向较短，直径很大，可把红外热像仪置于铁心中央，沿铁心内圆的圆周方向扫描，并记录扫描热像。把这些热像连接起来，相当于定子铁心内圆展开从施加励磁时开始测试，每隔30min测量一次，直至温升接近稳定时为止。汽轮发电机定子铁心轴向较大、直径较小，热像仪置于铁心两端，对着铁心内圆扫描，记录整个铁心内圆的热像。把这些热像拼接起来呈扇形状。实例2.定子铁心故障的红外诊断图10-4-5良好定子铁心热像图图10-4-6有三处缺陷的定子铁心热像图实例3..某发电机定子铁心热像图a)励磁机侧左侧b)汽轮机侧左侧其它第二章电机绝缘诊断一、电机绝缘老化一、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11-2-1电机绝缘劣化因素及产生的劣化征象劣化因子表现形式劣化征象热连续挥发、枯缩、化学变质、机械强度降低、散热性能变差冷热循环离层、龟裂、变形电压运行电压局部放电腐蚀、表面漏电灼痕冲击电压树枝状放电机械力振动磨损冲击离层、龟裂弯曲离层、龟裂环境吸湿泄漏电流增大、形成表面漏电通道和炭化灼痕结露浸水导电物质污损油、药品污损浸蚀和化学变质2.高压交流电机绝缘劣化过程图11-2-2高压交流电机绝缘劣化过程二、电机绝缘的特征量1.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0.1％~0.8％之间。tgtg1.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-5％~10％范围，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3.我国关于交流电动机绝缘电阻的测量要求（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0.5MΩ；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1MΩ，转子绕组不应低于每千伏0.5MΩ。绝缘电阻温度换算可按本标准附录二的规定进行。3.我国关于交流电动机绝缘电阻的测量要求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：①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。②交流耐压试验合格的电动机，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1MΩ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。3.我国关于交流电动机绝缘电阻的测量要求（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0.5MΩ。4.绝缘诊断的程序6.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面对地电位试验、槽放电试验、紫外光检测电晕试验等。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验(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。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（2）交流耐压试验交流耐压的试验目的是发现绕组中的贯穿性缺陷。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。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（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。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（4）介损增量试验介损试验：是