旋转电机的试验、监测与诊断

第三章旋转电机的试验、监测与诊断方瑞明博士/教授Email:[e-mail]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，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节电机绝缘试验、监测与诊断一、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浸蚀和化学变质油、药品污损导电物质污损浸水结露泄漏电流增大、形成表面漏电通道和炭化灼痕吸湿环境离层、龟裂弯曲离层、龟裂冲击磨损振动机械力树枝状放电冲击电压局部放电腐蚀、表面漏电灼痕运行电压电离层、龟裂、变形冷热循环挥发、枯缩、化学变质、机械强度降低、散热性能变差连续热劣化征象表现形式劣化因子2.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。tgδtgδtgδ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-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。tgδ2.电机绝缘诊断内容三、规程规定的试验项目根据《规程》规定，发电机绝缘预防性试验项目包括：1）测量定子线圈的绝缘电阻、吸收比及极化指数；测量绝缘电阻，其目的主要在于判断绝缘状况，它能够发现绝缘严重受潮、脏污和贯穿性的绝缘缺陷。测量吸收比，主要是判断绝缘的受潮程度。2）测量定子绕组绝缘泄漏电流和直流耐压试验。测量泄漏电流能有效地检出发电机主绝缘受潮和局部缺陷，特别是能检出绕组端部的绝缘缺陷。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数1、测量目的„测量发电机定子绕组绝缘电阻的目的，主要是判断绝缘状况，它能够发现绝缘严重受潮、脏污和贯穿性的绝缘缺陷。„测量发电机定子绕组的吸收比，主要是判断绝缘的受潮程度。由于定子绕组的吸收现象显著，所以测量吸收比对发现绝缘受潮是较为灵敏的。„发电机定子绕组的绝缘电阻受很多因素的影响，主要有测量电压、测量时间、温度、湿度、绝缘材料的质量、尺寸等。由于这些因素的影响，使绝缘电阻的测量数值较为分散。·所以《规程》中对定子绝缘电阻值未作规定，并采用吸收比R60/R15来进行分析判断。„由于发电机定子绕组电容及介质初始极化状况的差异，有时对试验值会带来一定的影响，所以《规程》推荐采用极化指数R600/R60来分析判断定子绕组的绝缘性能，它不仅能更为准确有效地判断绝缘性能，而且在很大的范围内与定子绕组温度无关。„目前国内已大量生产并广泛采用晶体管兆欧表，为采用这种方法奠定了基础。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数2、注意事项测量发电机的绝缘电阻虽然很简便，但必须注意以下几点：(1)正确选用兆欧表额定电压。兆欧表的额定电压是根据发电机电压等级选取的，兆欧表电压过高会使设备绝缘击穿，造成不必要的损坏。对定子绕组，额定电压在1000V以上时用2500V兆欧表，量程一般不低于10000MΩ，额定电压在1000V以下时用1000V兆欧表。(2)试验时被试相接L端子，非被试相短接接地，再接E端子，屏蔽接G端子。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数2、注意事项测量发电机的绝缘电阻虽然很简便，但必须注意以下几点：((3)测试前后都应充分放电，以保证测试数据的准确性。否则由于放电不充分，会使介质极化和积累电荷不能完全恢复，而且相同绝缘内部的剩余束缚电荷将影响测量结果。例如轮流测量发电机三相绕组的绝缘电阻时，当第一相测试后未经充分放电就进行另一相测试时，第二次施加电压的极性对于相问绝缘来说是相反的，试验电源必然要输出更多的电荷去中和相间残余异性电荷，从而表现为绝缘电阻降低。特别是吸收现象显著的发电机定子绕组，试验前后一定要充分放电，放电时间一般不应小于5min。(4)发电机的定子绕组的绝缘电阻值与绕组温度有很大关系，温度升高时绝缘电阻下降很快，一般温度每上升10°，绝缘电阻值就下降一半。所以对每次测量的绝缘电阻值都应换算到同一温度才能进行比较。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数3、绝缘电阻温度换算方法：1)国际通用换算方法。美国电气与电子工程师学会标准(IEEEstd431974)推荐的换算公式是：Rc=KtRt，其中Rc为换算至75℃或40℃时的绝缘电阻值(MΩ)；Rt为试验温度为t℃的绝缘电阻值(MΩ)；Kt，绝缘电阻温度换算因数，按下式计算：式中，t为试验时的温度；t1为换算温度值(75℃、40℃或其他温度)；a为温度系数。a值与绝缘材料的类别有关，对于A级绝缘材料为0.025/℃；对于B级绝缘材料为0.03/℃。按上式换算至75℃和40℃的Kt值如表所示。图1给出了B级绝缘材料换算至75℃或40℃时的绝缘电阻温度换算因数值。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数3、绝缘电阻温度换算方法：2)前苏联《电气设备规程》(1978年第5版)推荐的换算方法。考虑到我国引进前新苏联的发电机较多，所以特介绍前苏联的换算方法，其换算公式是Rc=KtRt式中，Rc，换算至75℃时的绝缘电阻值(MΩ)；Rt，试验温度为t℃时的绝缘电阻值(MΩ)；Kt，绝缘电阻换算因数。其值如表所示。3)《规程》修订说明推荐的换算方法。由于定子绕组绝缘材料、结构及运行年限的不同，即便是同一型号的发电机有时绝缘电阻换算因数也不相同。故对于具体的发电机，有条件时应尽可能采用下述方法进行换算。具体做法如下：在发电机干燥过程中，测出不同稳定温度下的绝缘电阻值，用半对数坐标纸做出绝缘电阻与温度之间的关系曲线，其中纵坐标为绝缘电阻值，横坐标为温度值，该关系线近似为一直线，由图可以查出40℃或75℃下的绝缘电阻值。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数4、试验步骤„测量前要把所有发电机出口电压互感器拉出或拆掉电压互感器的一次熔断器。„测量并记录环境温度和湿度，如果绕组温度与环境温度相差较大，应测量定子膛内平均温度作为绕组温度。„将所有绕组充分放电。„被测如果是水内冷发电机，将汇水管用导线引至试验场地。把汇水管所有引下线拧在一起，用万用表测量汇水管对地电阻，通常应达到30KΩ以上方可进行步骤（5）。将汇水管引线接至专用兆欧表的屏蔽端子上。„分相或分支测量时，每相或每个分支的绕组必须头尾短接，并将非被试绕组、转子绕组连接至机壳（，而测量绕组整体的绝缘电阻（如起机时不能分相测量）一般在发电机中性点接地变压器或电抗器隔离开关上口进行。„将地线端子用接地线和发电机的外壳连接好，用绝缘把手将相线接触到被测量绕组的引出端头上，开始测量，记录15、60、600s的绝缘电阻值。„将被测绕组回路对接地的机壳作电气连接5min以上使其充分放电。„测量其他绕组。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数5、试验结果判断依据„绝缘电阻值自行规定，若在相近试验条件下，绝缘电阻值低到历年正常值1/3以下时，应查明原因。„各相或分支绝缘电阻的差值不应大于最小值的100%。„吸收比不小于1.6或极化指数不小于2.0，水内冷绕组自行规定，200MW以上机组推荐极化指数。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数6、测量水内冷发电机定子绕组的绝缘电阻使用水内冷电机绝缘测试仪(简称专用兆欧表测试通水时水内冷发电机定子绕组对地绝缘电阻的等值电路如图所示。•因为在通水情况下，Ry很小，要求兆欧表输出功率大，用普通兆欧表，一是要过载，同时兆欧表输出电压降低太多，引起很大测量误差，只有在绕组内部彻底吹水后．方可使用普通兆欧表。•另外，在通水情况下，汇水管与外接水管之间将产生一极化电势，不采取补偿措施将不能消除该电势和汇水管与地之间的电流对测量结果的影响．•专用兆欧表不但功率大，同时有补偿回路而且测量电路输入端接地，适用于在通水情况下，测试水内冷发电机的绝缘电阻。•如苏州工业园区海沃科技有限公司生产的HV—T型水内冷发电机组专用兆欧表，短路电流达到20mA，最大量程100GQ，可屏蔽汇水管电流，测到发电机的真正绝缘电阻，同时还可测量吸收比和极化指数，测量结束自动放电．。四、测量定子线圈绝缘电阻、吸收比及极化指数6、测量水内冷发电机定子绕组的绝缘电阻为保证测试仪的输出电压为额定值，被测发电机汇水管与定子绕组引水管之间水电阻Ry应保证在100kΩ左右。试验前必须检查发电机进出汇水管对地法兰和定子进出线端间进出水管法兰的绝缘状况，汇水管(进出水管并联)对地绝缘电阻应在20kΩ以上。没有足够的绝缘水平将使测量结果带来很大误差。例如某台国产QFQS-200-2型汽轮发电机，由于在发电机6个进出线端头的进出水管法兰处没有垫绝缘，造成试验回路屏蔽不良。最严重情况的等值电路如图所示。由图可见，测量结果将偏低。五、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1.6~1.8倍，时间是1m