（电力系统及其自动化专业论文）高压旋转电机的状态监测和故障诊断研究.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i c a lm a c h i n e sa r et h em o s ti m p o r t a n ta n dm a i nd r i v ed e v i c e si nm a n n f a c t u r e sa n do u r d a i l yl i f e n oo t h e rk i n d so f m a c h i n e sc a nr e p l a c et h e m t h e ya r ew i d e l yu s e di n t h em o d e m w o r l d w i t h o u te l e c t r i c a lm a c h i n e s ，t h ew o r l dw o u l dn o tb ew h a ti ti st o d a y w h e no p e r a t i n g ，t h e y m i g h t h a v eal o to ff a u l t s i fam a i ne l e c t r i c a lm a c h i n ei sw r o n gi naw o r kl i n e ，t h ew h o l el i n e w i l ls t o p ，e v e nt h ew h o l ep r o d u c t i v es y s t e m t h ep h e n o m e n o no ft h ef a u l t sa r es oc o m p l i c a t e d a n dv a r i o u st h a tt h em a i n t a n c ew o r k e rs h o u l db es k i l l f u la n dv e r ye x p e r i e n c e d t h eh i s t o r yo f f a u l td i a g n o s i sa n dp r o t e c t i o ni sa sa r c h a i ca st h em a c h i n e st h e m s e l v e s t h em a n u f a c t u r e r sa n d u s e r so f e l e c t r i c a lm a c h i n e s i n i t i a l l yr e l i e do ns i m p l ep r o c t e c t i o n ss u c ha so v e r - - c u r r e n t ，o v e r v o l t a g e ，e a r t h f a u l t ，e t c t o e n s u r es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n h o w e v e r , a su n s c h e d u l e dm a c h i n e d o w n t i m ec a nu p s e td e a d l i n ea n dc a u s e h e a v yf i n a c i a ll o s s e s ，i m p r o v e m e n t sw e r es o u g h ti nt h e f i e l do ff a u l td i a g n o s i s i n1 9 7 0 san e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a lm a c h i n e s f a u l td i a g n o s i s c o n d i t i o nm o n i t o r i n gh a sa r i s e n t h e t e c h n o l o g y c o u l dj u d g ea n dd i a g n o s et h ef a u l t s b y a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d a n a l y s i s i n s t m m e n tw h e nt h em a c h i n ei s o n 1 i n e i tc a na l s o d e t e r m i n et h ef a u l ts p o ta n dr e a s o n t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di ns o m e t e c h n o l o g i c a lf i e l d s a n dp r o v e de f f i c i e n t i th a s p r o m o t e dt h er e v o l u t i o no fm a i n t a n c es y s t e ma n dt h eh i s t o r i a l p r o t e c t i o ni sr e p l a c e db yp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e w i t ht h i st e c h n o l o g y , w ec a r l i m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fm a c h i n ea n dd e c r e a s et h em a i n t a n c ef e e r e c e n t l y , r e s e r c hh a sp i c ku paf e r v e n t p a c e i nt h ea r e ao f f a u l t d i a g n o s i so f e l e c t r i c a lm a c h i n e s t h e p a p e rs i m p l ya n a l y z e st h ef a u l tr e a s o no fe l e c t r i c a lm a c h i n e s ，s t r e s s l yd e s c r i b e sa n d e x p l o r e st h em e t h o d so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss u c ha sp a r t i a l d i s c h a r g e ， s t a t o r c u r r e n t ，r o t a t i n gs p e e d ，v i b r a t i o n e t e f a u l t p r o g n o s i s i sn o wi n c l u d e d i a g n o s t i c f e a t u r e ，r e a s o n ，s p o t p r o d i g i o u si m p r o v e m e n ti ns i g n a lp r o c e s s i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a s m a d et h i sp o s s i b l e p r i m a r i l y , t h e s et e c h n i q u e sd e p e n do n l o c a t i n gs p e c i f i ch a r m o n i cc o m p o n e n t s o ft h e f a u l t t h e s eh a r m o n i c c o m p o n e n t s a r e u s u a l l y d i f f i r e n tf o rd i f f i r e n t t y p e s o f f a u l t s a u t o m a t e dt o o l ss u c ha sf u z z y l o g i cb a s e ds y s t e mi sa l s os i m p l yp r e s e n t e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l m a c h i n e ，f a u l t ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，d i a g n o s i s ，f u z z yt e c h n i q u e s i i 1 1 设备的故障诊断 第一章绪言 设备诊断技术是一门新兴的包含多种新科技内容的综合技术。其基本原理 是根据机械、电气等各类设备运行过程中产生的各种信息，判断设备运行是否 正常，识别设备或机器是否发生了故障，它能实现设备在带负荷运行或基本不 卸载的情况下，通过对其状态参数的检测和分析，判定是否存在异常和故障的 位置及原因，并对设备未来状态进行预测，故它又称机械故障诊断。 设备诊断技术包括三个基本环节和四项基本技术。三个基本环节为：检查 发既异常、诊断故障状态和部位、分析故障类型；四项基本技术为：检测技术、 信号处理技术、识别技术、预测技术。设备诊断技术涉及多方面知识领域和对 设备故障机理的研究，它必须根据设备在使用过程中的故障机理、劣化过程及 机理，通过采用对各种状态参数的检测与分析，劣化程度的检测分析，性能强 度的检测和分析等各种方法，分析和判断设备的运行状态，确定设备故障部位 和：劣化程度，预测设备的可靠性与寿命，制订最合适的修理方案和维修周期。 设备诊断技术是因设备的安全性和维修的迫切需要应运而生的。首先，它 产生于两个背景，第一是航天、航空、核工业等部门对于现代化设备安全性和 可靠性的高要求：6 0 年代后期首先在美国出现，最初的目的是对航天、核能、 军事装备进行早期异常检测，以便对机器设备的故障在事先发觉并采取预防， 从而减少事故的发生及由此导致的人员伤亡、环境污染、公害等。第二个背景 是：6 0 年代后，计算机和电子技术的迅速发展，促进了生产技术的现代化，生 产设备的大型化、高速化、连续化和自动化使生产力不断提高，同时对设备的 精度、功能、性能要求也越来越高，设备也越来越复杂、越来越昂贵，大规模 的流程化生产作业一旦发生突然事故，不仅会造成生产流程环节的中断和重大 的经济损失，还有可能引起人员伤害和环境污染以及各种社会问题。其次，现 代化的工业生产采用了先进的工艺技术和以技术先进、结构复杂、精度很高为 特点的生产设备，这些设备的维护工作量大，检查项目多，要求严格，很多故 障很难依据传统办法凭人的感官和经验检查出来，必须采用先进的仪器和科学 的方法来监测和诊断，并且由于设备故障造成的停产损失越来越大，设备的维 修费用也大幅度增加，维修成本占总生产成本的比重越来越大，也对设备的维 同类型的电机，因结构、绝缘等的差别，诊断方法和重点又有区别，必须根据 不同的类型采用不同的监测方法。电机故障诊断技术具有其自身的特点：首先， 要求诊断人员具有较高的素质，因为电机内部至少包括电路系统、磁路系统、 绝缘系统、机械系统、通风散热系统，所以电机诊断涉及较多知识领域：电机 学、热力学和传热学、高电压技术、材料工程、机械诊断学、电子测量学、信 息工程技术、计算机技术；其次，要求诊断人员熟悉诊断对象，由于电机内存 在几个相互关联的工作系统，故障的起因和故障的征兆往往表现出多元性，这 为电机故障诊断增加了难度，一个故障常表现出多种征兆或一个故障征兆由几 个故障引起，如笼型电动机转子断条时会出现振动加剧、定子电流摆动、转速 转矩波动等征兆，而直流电机因过载、机械振动、换向变形等原因，会造成换 向恶化故障而表现为火花加大的征兆，所以熟悉诊断对象对电机的故障诊断具 有重要意义；第三，电机的故障诊断有别于继电保护，继电保护系统是当被监 视参数达到或超过继电器整定值时即故障己发生时才动作，无预防功能且会因 电机的突然切断而中止生产流程，造成很大损失，电机诊断技术不但能根据早 期征兆进行故障预报，并能对故障进行诊断和趋势分析，制订合理的检修方案。 在上一节的设备维修方式中，状态维修是最先进和合理的维修方式，它以 监测和诊断技术为基础，通过对设备状态的监测，发现并消除可能的故障，避 免突然事故的发生。这种维修方式可以应用于电机的故障诊断和维护中，即： 连续或断续地监测电机的状态，如果监测的参数发生突变或异常，就意味着电 机状态发生了重大变化。状态监测可作为故障检测的诊断工具和制订维修计划 的依据，有利于更好地制定维修计划，可在最恰当的时候停机和维修。 随着科技水平的不断提高，越来越多的新技术已应用于电机的故障诊断和 状态监测，并取得了良好效果。 1 3 本文的主要工作 任何电机就其结构而言都有定子、转子、轴承、电刷装置等，直流机还有换 向器。在使用过程中，电机的任何郝位都有可能发生故障，如绝缘结构破坏、 转二f ：断条、绕组匝间短路、轴承振动、换向器环火等，这都将降低电机运行的 可靠性或导致被迫停机。目前已有不少故障检测方法，主要是机械式的( 如振 动、冲击、噪声、转速波动) ，机电式的( 如电流、浪涌、局部放电和漏磁等) 。 另外，还有温度、油尘、空气分析以及性能和外观检查等方法。电机是一个复 杂的电磁系统，故障及其原因都很复杂，所以，必须采取多种方法综合，进行 可靠的故障诊断。 高压电机使用非常广泛，其故障次数相对较多，且一旦发生故障其影响重 大，对其进行状态监测和故障诊断，并进行检修维护具有重大意义。本文以高 压旋转电机为研究对象，重点对几种故障类型及其状态监测、诊断方法进行深 入的讨论，并将智能技术应用于电机的状态监测，根据其状态进行故障诊断， 从而更好地制定维修计划，在最恰当的时候停机和维修。主要研究内容概述如 下： 本文从绝缘结构的故障机理入手，以绝缘结构故障的典型特征局部放 电为研究对象，重点讨论种局部放电的在线监测方法、适用场合并比较它们的 优缺点；在分析笼型异步电机转子断条的原因后，讨论了传统的定子电流在线 监测监测方法，并根据其缺陷和不足，本文探讨了温升不平衡法、希尔伯特变 换数字滤波、小波包分析法等新方法的原理、优越性；以电机轴承：气隙偏心 等故障为研究对象，通过对电机振动和转速频率的检测，诊断电机的故障类型； 本文的工作重点是将人工智能技术中的模糊技术应用于电机的状态监测和故障 诊断中，力求使电机故障诊断更接近人工智能化；最后，本文对电机状态监测 和故障诊断系统进行了硬件和软件初步设计，为实现预测维修提供了有效的技 术手段。 4 第二章绝缘结构的状态监测及故障诊断 绝缘结构是各类电气设备的重要组成部分，其作用是隔离带电导体与地、 以及导体之间的不同电位。任何一台电机通电后，绝缘结构上就承受了工作电 压，定、转子绕组及铁心叠片之间的绝缘故障会直接或间接引起电机故障，绝 缘结构性能的优劣直接影响到电机的安全性、可靠性和使用寿命，甚至导致强 迫停机，造成维修工作量和修理费用的增加。 2 1 引起绝缘故障的原因 电机是一个复杂的电磁系统，大多数绝缘结构的故障是由各种应力共同作 用引起的，这些应力有：热应力、电应力、机械应力、环境应力等【3 - ”。 2 1 1 电应力 电应力对绝缘系统的影响是产生热老化和热过载作用。热老化速度和绝缘 受热温度密切相关，温度愈高，老化愈快。根据经验：温度每升高1 0 。c ，绝缘 寿命减少一半。图i 为不同绝缘等级与温 度之间的关系。当工作温度较低时，热老篙 化使绝缘系统易受运行中其它故障或应力：m 的作用，丧失其结构的完整性，发生绕组1 嚣 故障。为确保热寿命更长，可采取两种措4 0 施：降低电机工作温度或提高绝缘材料的，! 等级。例如，如果电动机在b 级温度最高： 为1 3 0 下工作，采用f 级绝缘材料，那 2 么热老化寿命将延长至1 0 万小时左右， 如图l 所示。产生热过载的原因有：电压 波动，功率越大的电动机，易因电压波动 而损坏，电压波动将影响到电动机的性能图l 绕组温度与寿命h 的关系 和绕组温度，如电压在设计的1 0 范围内波动，电动机能正常工作，超出此范 围，将大大降低电动机的寿命：相电压不平衡，每相3 5 的不平衡电压，电 流最大的这一相，绕组温度将升高2 5 ，所以要采取一定措施来保持三相电源 5 的乎衡，否则电压不平衡将导致绕缀温发大幅度升高；频繁起动，起动时， 电动机的起动电流是满载时的5 8 倍，电动机短期内黛复起动，绕组温度将迅 速升高，频繁起动的另一不良影响怒导致绝缘系统的膨胀与收缩一定时期后， 绝缘材料易脆化开裂，所以设计时必须确保丰才料有足够的弹性，既要能承受这 耱膨歇、牧缩移动焉不开袋，又不能弹镶太好丽产生戳机械力弓f 超的故障： 过载，电磁枧在设计时整蠢一定余鬟，设诗黪应镬毫动楗工 睾在特定靛绝缘系 统正常限值以下，或使用的绝缘系统的额定傻赢于工作温度，一般设诗为：达 到额定值b 级工作温度的电动机，采用f 级绝缘系统，一定范围内，可将绕组 的温升以负载的平方增加( t 。c 1 2 ) 估算，根据这个关系并结合绕组温度寿命关系图 1 ，可推测出负载对绕组寿命的影响。例如一台7 4 5 7 k w 的电动机，满载时的温 升是6 4 ，过载i 5 时，将在8 5 。c 添升下工律( 俊设两种负载的环境温度均为4 0 ，这样，热老佬寿鑫将款t 0 0 万小对黪至 6 万小时：邋风受阻，传导、对 溅、热辐射是电枧定、转予的教热途径，如果穿过电动极内部或渡过电动极外 部的气流受阻，域电幼机的部件散热受阻，都会引起绕组温度升赢，因此，要 保持电动机内外清洁，确保气流畅通无阻，另外，如果需要一台电动机在过热 状态下运行，可以增加电机外部风量加强冷却，但要确保风向与电动机的正常 巯囱稽间，细电视处予不清洁韵工作环境， 缘系统寒达到控铡瀑舞静嚣的。环境 温度，电极设计的最麓工佟巧竣湿度一般要 求为4 0 ，如超出此温度，电机的绝缘寿命 产生影响，袭1 为电动机在额定负载下运行， 采用f 级绝缘，在b 级温度下工作，环境温 度超过4 0 时，对绝缘寿命的影响。 2 ，1 2 电应力 设计时可通过限铡绕缀温升和改绝 表1 环境温发超过4 0 。c 的影响 巧境湿度 )缝缘寿命( h ) 3 0 4 0 5 0 6 0 睦应力嶷绝缘结构上毫场分布产生，主要表瑰为届部敖瞧、漏电和窀鬻蚀 等现象。产生局郝放暾的原因是在电极将对内部斡邀场并j 均匀分毒，当绕缰 工作电压大于5 k v 的时候，绝缘系统中电压应力越过极限的地方，因瞬时气体 电离而弓【起局部放电，局部放电能在绝缘层内产生十分微细的树枝状放电途径， 并造成放电区域的绝缘腐蚀，不断的放电将使腐蚀孔加深，于其它空隙桥接使 劣化撬模扩大，最后导致绝缘的破坏；漏电则是在有电位差的绝缘表酾上形成 炭化整籍( 溪电爨径) ，覆键绝缘丧失其功能，当绝缘结构表蔽污染或辩有异物 6 蝴 瞄 咖 啪 鹚 时，在有电位差的部分产生泄漏电流丽发热，使一部分绝缘材料分解形成炭化 耪。电晕楚电腐蚀最常觅的例子，通常教生在高聪绕组端部或线圈出稽口的遣 方，篷是出是部电场集中孳l 起韵。 2 1 3 机械应力 机械应力的作用主要表现为绝缘的疲劳、裂纹、松散、磨损等，多数瞧下 列因素引起：线圈移动，电机起动过程中，定子绕组的电流磁线圈上会产生一个 与电流的平方成正比的力( f 1 2 ) ，此力导致线圈以两倍电源的频率沿径向和切 向振动，从而在线圈绝缘内产生很大的应力，使线圈绝缘严蓬破损，槽楔松动， 破坏钢导体，嵩速大电动梳，线圈移动的破环往眈慢速小电动机大，流部越长 的线翳，越易出瑗阂怒，起魂频率越高，鸯蟊速酵阉越长，绝缘系统澍弱豹霹熊 性也越大；转子碰撞，转予跟定子嫌撞蝴擦原因镁多，最常见为轴承教瞳、转 轴扭曲、定转子不同心等，如果定、转子相擦在起动时发生，转子的力将导致 定子叠片扎破线圈绝缘，造成线圈按地；还有一些其它机械型故障，会导致定 子出问题，如转子平衡块松动，碰撞定予，转子风扇叶片松动碰撞定子，螺栓 蠓裕松动碰撞定子，杂物通过通风系统进入电机并碰撞定子，转子断条导致定 子过热秘故障，放奄铙弓l 线头要l 送线引线头煞连接不势导致过燕轻敌障，出于 疲劳破损的燕片泼碰攮定予等。 2 1 4 环境应力 环境应力即通常说的污染，如灰尘、油污、盐分或其他腐蚀性物质等对电 机的侵蚀，以及绝缘潮湿或表面凝露。它们会导致绝缘电阻的降低和介质损耗 的增加，是电机绝缘老化的催化剂。杂质的存在对电动机有很大影响：减少热量 散发，提高了工作温度，降低绝缘寿命；遥或轴承过早液障；绝缘系统击穿，造 成短路秘接缝。馊震中，簧操持电动枫懿清滚与予澡，在恶劣环境中，选择静 电动机枧壳秘绝缘系统应尽可熊防止杂质侵入。要防止定子绕缀一e 的凝露残象， 在电动机不运转时，用加热器干燥绕组，凝露严重时会鼯致定子绕组槽内接地， 避免电机长期闲嚣或长期存放。 以上各应力对电机的作用，因电机的工作环境和型号大小的不同而有所不 同。小垄电视主瑟受溢度和环境应力影响；大中型电机除环境温度影响外，电 巍力和凝辕瘟力逶重要因豢；特大登电梳多采用棒垄绕组，并因特殊静工作环 了 境，主要受到电应力和机械应力的作用，而温度和环境应力则是次要因素。总 乏，电视的故障可由多种因素作用弓i 起，分析时，不能忽略任何步骤，否则就 会对赦薄静囊委原嚣作出错误瓣结论，箍没裔采敬必螫的籀施撵除，导致将来 豳类故障的发生。 2 2 高压电机的局部放电及其在线脓测方法 定子绕缀绝缘故瓣是麓压交滚毫梳定子主簧故障之一，褥部放电往往是教漳 翦的缝兆，它与逛极定子绕组绝缘炊援窍着密切关系。为了提意电力系绕运行 的可靠性，提高供电质量，减少停电事故，奄必要对局部放电进幸亍分挺磅究并 进行监测，从而诊断绝缘状况，及时处理故障，防患于未然。 2 + 2 。筠都放毫的原因、 壹置及特性( 9 1 1 避 高压交流电机的定子绕组主要采用环氧云母( 以前是沥青云母) 绝缘，覆 盏一屡半导体层和表面涂覆，绝缘材料疑用来充填和浇注的，不可能做到十分 缝净致密，会不同程度地镪含一些分散靛异物，如杂质、水份、小汽泡等，所 以= _ = = 可避兔有，l 、蕊气手l 或空陡终缘系统，它们峦不溺袋裙阍材料层组成，藩闯 经常会有一些小的浔动，霹能蠢的地方鳃缘与导体糙善不事，或者定_ 予绕缀中 预先经过绝缘处理的导条在槽中放置不当，或者可能槽楔松动了，或黄负载下 的电磁力将造成微小的移动，擦掉线圈在槽内部分的滚。长期受热、电、机械 应力及环境影响，绝缘中这些薄弱环节在局部场强作用下，产生局部放电，其 中最常发生的是气隙的放电，激为气体的介电常数很小，在交流电场中，电场 强度楚与套电誊数残爱毙翁，掰戳气隙中豹亳场强度浇周鬣介覆中高得多，而 气体击穿场强一般都比液体或固体 低得多，因而很容易在气隙中首先 出现放电。对于绝缘介质和气隙， 其电气特性都可以用一个电阻和一 个电容的并联电路来等效，对电视 焉言，其绝缘系统及萁等效电路霹 用匿2 蹶示嬲模型采攒述。 瑟 c ) ，局部放电脉冲的幅值变化 小，而噪声脉冲因传播过程中高频分量衰减得多而幅值变化大，用f 的幅值比 的幅值，比值小的为噪声脉冲，比值大的为局部放电脉冲，可选择某一合适比 值作为判据；另一种方法是利用局部放电脉冲与噪声脉冲之间灵敏度上的差别 来区分，选取两个不同槽内r t d 导线作为局部放电传感器，对于噪声脉冲来说， 从噪声源到这两个局放传感器的传播路径长度差别不大，所以两个局部放电传 感器测到的噪声脉冲在幅值和波形上是相似的；而对于局部放电脉冲来说，由 于局部放电脉冲源离一个局部放电传感器近，离另一个局部放电传感器远，两 个局部放电传感器测到的脉冲在幅值和波形上相差较大，这样可利用两个局放 13 传感器测到的幅值比米区分噪声脉冲还照局放脉冲，比值接近“l ”的为噪声脉 冲眈值远离“l ”的为岗部放电脉冲，如采局部放电脉冲源与两个局部放电传 感器等蓬离，粼这静方法失效。 这秘方法鲍优点是剥羯原埋矍予定予檀攫豹r t d 导线 乍为届部敖电传感 器，而不用另装其他装置。适用于大型汽轮发电孝几，健在定子绕组某些邦分其 局部放电与噪声脉冲难以区分。这种方法尚处实验阶段。 2 2 ，3 羼寒5 放电在线盗测技术在大毫橇中的实际应用情况【强；f h 】 局部放电测餐装鬣价格高，安装局部放电传感器和对结果进行解释的困难 魏褥了它弱广泛瘟精。薪瑙兰巍兰薪祷鬻奇工业研究公司通过5 年的研究开发， 将其快速 侵入牲在线是部藏魄测爨应蹋予它们豹主设备状态蕊溺，在经济土 取褥了一定效果4 。此测量系统麓单媳由钳式髑部放电传感器积手提式数字贮存 示波器( d s o ) 组成，可由手提箱带到现场，传感器可暂时或永久地非侵入性 安放在高压带电设备终端的几个位置。例如：两台6 4 m w 汽轮发电机连接到4 条并联的1 1 k v x l p e 电缆，用户规定应在不打开发电机的情况下进行试验，因 为终端柜中电缆和发电视的连接完全被热缩绝缘盏住以防止雷电冲击闪络，所 以离线试验不现实。选择每一裙静电缆舞套接逡；| 线作为筠部放电传感器，对 发电机的现场校验和农线局部敖逛测量只震半天。 我国在局部放电在线监测方面的研究起步较晚，发展较缓慢。9 0 年至9 2 年 上海第二工业大学和当时的上海科学技术大学分别研制成功了“射频监测仪”， 两套系统完全达到了8 0 年代初西屋公司的产品水平，其放大器中心频率为 i m h z ，带宽5 k h z ，装置选择性好，抗干扰性强，但由于通带过窄，获得的信 惑少，灵敏度低且不其备弱部数电综合特征分析能力：清华大学研翩的d j y c l 型电极局部放电在线黢测系统裂魇擎片撬控制采样系统，采用低速采样和离速 采样相结合的方法，低速采样结果用来收集放瞧售号的幅度鞠提位售爨，勰速 采样结果用来分析放电波形的细微特征，取得了一定的效果；西安交通大学研 制的电机局部放电在线监测系统采用宽带系统，可以测得局部放电的各种特征 量，结合现代数字处联技术，在放电类型得自动识别方面作了一定尝试；上海 交大研镪的蹋部放电在线簸测系统包含了一套宽带处理系统和一套窄带系统， 宽涝系统采耀高遮长辩瀛采样，鼹d s p 数谤。雾桩对大量数据进行处理，提取信 号的特挺值存于数据黪中，通过对电援鲍长期艇测来判甥电极的绝缘援坏建况， 窄带系统用朱作对比研究。总之，从技术上讲，国内碘划的设冬以分为窜繁 1 4 系统和宽带系统，对窄带系统来说，它只对局部放电后期严重的火花放电比较 敏感，并且不能区分机内和机外放电信号以及进行故障分类和定位，对于宽带 系统，带宽越宽，采集的局部放电信息越丰富，但对系统的要求也越高。一方 面要求有较高的采样率和数字处理能力，另一方面干扰的鉴别也是关键。 总之： 1 ) 局部放电在线监测在电机不停机的情况下进行，更能反映定子绝缘的实际 状；兄，与常规的离线绝缘测试相比，它具有方便、灵敏、有效、无损伤的优点， 能尽早发现电机绝缘内部故障，有利于有计划、合理地安排维修，因此局部放 电在线监测是诊断高压电机定子绕组绝缘故障、进行高压电机预知维修的有效 方法。 2 ) 局部放电在线监测的关键是把定子的局部放电信号与噪声信号相区别。要 把握好两点：一是耦合器( 或传感器) 的研制与设置，要有利于局放信号的提 取，便于区分和消除噪声；二是信号处理，首先是分离与消除噪声，然后对局 部放电信号作进一步处理，对定子绕组绝缘状况作出诊断。 3 ) 许多局部放电在线监测方法在本质上是联系的，测试环境对测试结果有很 大影响，不同的监测方法会产生不同的结果，很多监测方法只适用于接近传感 器的一部分绕组。至今为止，人们还无法建立一个可接受的、可靠的绝对的测 量方法，更无法设计出标准的便携式校正仪器。这意味着很难对“局部放电程 度”提出标准的极限值，都只能采用特定仪器对特定电机建立有效的校正。当 然，这方面的研究正在进行，而目前的局部放电监测还是行之有效的。可以用 局部放电仪器直接记录和显示的局部放电量有：脉冲重复率r n ( 脉冲计数率) ， 单位为“每秒脉冲数”；视在电荷，单位“p c ”( 或脉冲幅值，单位“m v ”) ： 脉冲相位角，单位“度”。三个量可用三维图形表示出来，根据图形可以区分正、 负脉冲。而且，在两维图形中就能表示出脉冲计数率和带极性的幅值。而且局 部放电程度与剩余寿命之间的确切关系，也还不能完全确定。这是目前和今后 的研究方向。 第三章笼型异步电杭转子断条的在线监测 转子凝条是笼型异步电动壤转子常见鼓簿之，主要凝鑫楚：电枫壹接越 动或负载脉动时，电流产生的热应力和枫械虚力较大，造成导条与端矮联结处 断裂，使其它导条中的电流增加，进而导致更多的导条断裂，引起转速波动、 转矩波动、振动，并伴随着噪音、铁心凝片损坏、转予过热、拉弧、绝缘磨损 等现象。目前，针对转予断条故障有定予电流检测、激升检测、基于小波包分 橱及蒂尔偿特交换等多释在线簸溅方法，现在就这些方法进行分析讨论。 3 。1 定予电流监测技术 1 5 】 电流釜溺是分析电视寇子的供电电流，因为它在很大程度上受电机状态的影 酾。璎想躲异步逢动毫毽定予电流静频率楚单一的魄源频率，当转子回路出现端 环或导条瞬裂时，转子电流必憋有掰变化，它熬交佬会引越与之平衡黔定予电 流的变化。转子断条时，在定予电流中引起谐波成分l ”l ： t d = n - s ) ( 6 k i ) s t 3 1 ) 式审卜供电频率； 广被障频率； r 转差率： 卜整数( o ，1 ，2 ) 。 当k = 0 时，式( 1 ) 故障频率走2 s f , 即为2 壤转差频率，盎于它对定予供电 频率的调制作用，在供电频率两侧( 1 2 s ) f 的位置上各出现一个边频橙，隧羞 断条数目的增加，( 1 士2 s ) f 处的幅值增加，根据边频带幅值的大小可判断转子 断条故障和故障稔度。将频率幅值用分贝寝示，可计算出断条的数目为： n = 2 r ( 1 扩捌( 3 2 ) 式中r 转予铁心横数； n 供电频率f 与( 1 2 s ) f 频率的分哭差； p 电机极对数。 下硒是台5 0 h z ，额定转速1 4 3 5 r m i n 三相四极异步电动机正常状态、断 条状态的测试结果表和转子断条的电流频谱分析图。表2 汇总了在试验电机上测 褥韵缩聚。第一缎铡量是对正常的电机进行的，后几组分别是在断了1 、2 、3 根 导条的电机上测得的。对于每一种情况，都在满载( 1 4 3 5 r m i n ) 、7 5 负载 ( 】4 5 4 r m i n ) 和5 0 负载( 1 4 7 1 r r a i n ) 时分别进行测量。 表2 试验电机测量结果汇总表 注：a ) 正常的电机；b ) 断裂了一根转子导条；c ) 断裂了两根转子导条；d ) 断裂了三根转 子导条：表中第二列表示5 0 h z 时以d b 表示的电流幅值，第四、第七列表示相应频率的电 流幅值，第五、第八列为不同频率与供电频率5 0 h z 时的电流幅值之差。 圈7 ( a ) 1 0 0 负载_ f 正常电机电流频谱图7 ( b ) 1 0 0 载下断1 根转子导条电机电流频 7 i 霉| 7 ( c ) 1 0 0 负载下断2 根转了导条电机电流频潜 图7 ( d ) i 0 0 负载下断3 根转予导条电机电流频自 闰7 ( e ) 5 0 负载f 断3 根转子导条电机电流频谱 由表2 和图7 ( 扩e ) 可以看出： ( 1 ) 正常状态下，电机满载时，边频分量很小，基频分量电流幅值与( 1 2 s 分量电流幅值的差值较大，分别为5 6 8 d b 、5 7 9 d b ；随着转子断裂导条 数的增加，同频率分量的电流幅值逐渐增大，( 1 2 s ) f 与5 0 h z 的电流幅 值之差减小。 ( 2 ) 随电机负荷的减小，边频分量的幅值也减小，与基频分量的差值增大， 如三根导条断裂、5 0 负载时，边频分量( 1 2 s ) f 与基频分量之差分别为 4 0 5 d b 、4 2 1 d b ，而正常状态时为3 8 5 d b 、3 3 9 d b ，说明负载越大，故 障状况越明显。 上述对不同负载和故障情况的电流监测分析，可以由“边频分量电流幅值随 故障程度的加重而增加，基频分量与边频分量电流幅值的差值随故障程度的加 重而减少”这一规律，判断异步电动机转子断条的状况；转子断条故障将使电 流表读数摇摆变化，可用电流传感器、频谱分析仪监测定子电流，简单易行； 1 8 边频分量电流幅值随负载的增加而增加，基频分量与边频分量电流幅值的差值 随负载的增加而减少，所以用电流频谱分析诊断故障时，负载不能太低。但是， 这种方法存在两个明显的不足：( 1 ) 在转子故障初期，( 1 2 s ) f 特征量的幅值相 对于基频分量的幅值较小，且( 1 _ 2 s ) f 与基频非常接近，在对定子电流作频谱分 析时，特征分量往往被基频分量淹没而难以检测；( 2 ) 无法正确区分转子断条故 障与负荷波动，因为笼型异步电动机在拖动波动负荷时，其定子电流除含有f 频 率分量外，还包括以f 为中心频率的各种调制分量，而它们极有可能被错误地解 释为( 1 2 s ) f 频率分量，即转子断条故障特征分量。因此，针对上述电流监测法 的缺陷，人们又提出了温升检测、小波包分析、希尔伯特变换与数字滤波等方 法， 3 2 温升不平衡检测法【1 7 】 这种方法的原理是：笼型电机出现转子导条断裂故障时，导条电流及温升 将出现显著的不平衡，当出现端环断裂时，虽然这种不平衡性有所下降，但此 时转子导条电流和温升的分布与电机正常运行相比仍有明显差别，如果能在电 机正常运行时检测到转子导条温升，不仅能够准确揭示电机是否存在转子故障， 还可能判断出转子故障的类型及故障程度，这是目前常用的定子电流检测法难 以实现的。 为了利用导条温升的不平衡检测电机的转子故障，必须有一种在电机运行 过程中可靠检测转子温升的方法。长期以来，由于测量技术的限制，很难在电 机运行过程中获得有关转子温升的信息，特别是测 量整个转子铁心的温升分布或最热点的温升， 更有相当的难度，随着测量技术的发展，测 量转子温升现已成为可能，特别是将转子温 升信息用于故障诊断时，只需测量导条温升 即局部温升，并不需要测量整个转子铁心的 温升分布，从而使得对测量手段得要求相对 降低。一种利用光纤技术测量转子局部温升 得方法可望在笼型电机的转子故障诊断中得 到较好得应用，这种技术的主要特点是利用 光数据传输技术，如图8 所示，图中热电偶 9 图8 光电传输装置 安装于转子槽底部，以便获得导条温升信息，热电耦的电压被放大并转换成数 字信号后，经多路传输器输入通讯控制器，通讯控制器将并联信号转换为串联 信号并驱动光数据链，由它装于转子自由端的红外线放射器发射到电机外部。 电和外部的光电接收器接收包含导条温升信息的信号并经微机处理后，即可得 到导条的温升。这种方法使得在电机正常运行过程中测量转子导条温升成为可 能，从而为利用导条温升信息检测电机转子故障奠定了基础，从目前得情况来 看，制约温升检测法应用的主要因素还在于转子温升测量技术的不够完善和成 熟，存在的主要不足在于测量元件的安装困难以及测量过程较为复杂，尽管如 此与定子电流检测法相比，转子温升检测法仍然具有突出的优点，主要表现在 后者比前者能更加灵敏、可靠地反映电机的转子故障。 3 3 基于希尔伯特变换和数字滤波分析方法【1 8 对于给定信号i 。( f ) ，其希尔伯特变换为： o ) = 二f 三二丛! d r ( 3 3 ) 当笼型异步电动机发生转子断条故障，其定子电流信号可写成( 忽略高次 谐波) ： i ( f ) = ，。s i n ( 2 1 r j t + 妒) + ，s i n 2 ，r ( 1 2 s k f + 妒7 ( 3 4 ) 相应的希尔伯特变换为： f ( f ) = 一i 。c o s ( 2 月j t + t p ) 一lc o s 2 z c ( 1 2 s m f + 妒】( 3 5 ) 式中：f 为供电频率，s 为转差率，。，妒分别为工分量的幅值和初相角；r ，妒分 别为( 1 2 s ) f , 分量的幅值和初相角。为获得简单且包含转子断条特征信息的待 分析信号，由上两式构造如下信号： a = e ( t ) + z 7 ，2 0 )( 3 6 ) 目i 以： d = ，三+ ，：2 + 2 1 ，i ：c o s 2 丌( 2 瓯弘+ 妒一妒】( 3 7 ) 可见信号n 含有一直流及一2 s f , 频率分量，而2 盯频率分量即可作为转子断条特 征分量。由于大型异步电动机运行时转差率s 很小( 约为o 0 0 5 0 0 1 5 ) ，故2 s ， 也很小( 当：= 5 0 h z 时，仅为0 5 1 5 h z ) 。在频谱图中2 瓯频谱分量与频率为o h z 的直流分量非常接近，在作频谱分析时直流分量的泄漏就很可能淹没2 频率分 量，从而给转子断条在线检测造成困难；其次，无法正确区分转子断条与负荷 波动，例如，对一模拟负荷波动的定子电流作希尔伯特变换并构造信号a ，对a 作频谱分析，表3 为部分数据。 2 0 时分量的频率有可能小于1 h z 。对予这种应用场合阿将截止频率设计为o 5 h z 。 另羚，妇暴瞧动橇受蘅波动较夺，戳致纛法我裂j c 雩应予受赘波动煞投，j 、( 大) 傻，该方法阈样选用，因必这一受楚本身就不会对叛条检测造成影嚷。 3 4 基于小波包分析的在线检测【糟】 近年来，麸缮里卧交换发糕起来的小波与夺波包分橱其有受好静多尺度晕霜 时域局部化性质，可以准确提取信号特缝，已成为信号特堑提取憋强鸯力工具， 尤其是小波包分析，在理论上实现了对馈号时、频域任意精度的划分，具蠢更 广泛的应用价值。在此基础上，根据电动机定子电流信号的小波包分解系数完 全可以检测转子断条故障，与传统的转予断条在线检测方法不同，该方法不再 依赖傅整时变换，而蕊可戳正确识翱出电动机转予断条故障与负荷波动，萁基 本愚路妇下： 首先，对定予瞧流采楼信号终小波包分孝厅，势提取出节点，、波包分解系数， 然后根据该小波甑分解系数作以下判断( 不考虑边缘效应) ： ( 1 ) 若小波包分解系数近似为零且平稳，则转子正常； ( 2 ) 若小波包分解系数以一定幅度振荡，则存在转子断条故障； ( 3 ) 若小波包分解系数含有突变点，刚负荷波动，突变点的个数与负荷波次 数襁对应； ( 4 ) 菪，l 、波包分解答数以一定耀发振荡置含毒突变熹，建燕雾雩存在转予凝条 故障与负荷波动。 基于小波包分析的转予断条在线检测方法可以正确识别转子断条故障与负 荷波动，这怒它的突出优点，但该方法也存在明显缺点，主要有： ( 1 ) 计算麓大，计冀时间长。因此该方法仅适用于以高性能工控机为中心的 笼鍪异步亳渤梳状态簸测与故障诊断系统( 其功能之一为转子断条在线检测) ， 势不逶翅予擎片瓿或数字番号楚耀器熬单一戆转子酝条奁线捡溺装覆： ( 2 ) 这种方法仪涉及故障的检测，著泰考虑如傍渗叛放障瓣严夔程凄。针对 以上两点，必须进一步研究更优秀的小波包算法，以减少计算量，缩短计算时 间，另外尚须研究小波包分解系数与频率差2 瓯及幅值比z i 之间的映射关系， 从而为断条故障严重程度的诊断提供理论依据。 第四章电机的振动和转速监测 4 1 电机的振动监测 引起电机振动的原因很多，可由电磁力、机械力和( 或) 气动力引起。产生 振动的部位和振动的特征各不相同，常见的异常振动有口q ： ( 1 ) 电磁振动可能由定子异常、气隙不均匀、转子导体异常产生。定子电磁 振动异常主要原因有：定子三相磁场不对称、定子铁心和定子线圈松动、电动 机座底脚螺钉松动，其特征为：振动频率为电源频率的2 倍、切断电源振动消失、 振动与机座刚度和负载有关、振动可在定子机座和轴承上测得：气隙不均匀有 静态不均匀和动态不均匀两种情况，静态气隙偏心往往位置固定，其振动特征 为：振动频率为电源频率的2 倍、振动随偏心值和负荷的增大而增大，动态偏心 的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，随转子的旋转而同步移动，其特 征为：振动以1 2 s f o 周期脉动、电机发出与脉动节拍一致的电磁噪声；转子导体 异常是指电动机因笼条断裂或绕线式电机转子回路电气不平衡，都将产生不平 衡电磁力，其特征为：负载增加振动增加( 负载超过5 0 以上较显著) 、频谱分 析图中出现2 s f 边频、与动态偏心现象相似难以判别。 ( 2 ) 机械振动可能由转子不平衡、轴承( 滚动或滑动轴承) 异常、安装调试 不电产生。转子不平衡的原因有：转子零部件脱落和移位、绝缘收缩造成转子 线圈移动、连接轴不平衡、风扇和转子表面不均匀等，其特征为：振动频率和 转速频率相等、振动随转速升高而加大、径向振动最大轴向很小：轴承故障的 原因可能是：润滑不当或不充分；因转轴的扭曲或电机本身安装、调整和底座 不平引起较大的径向和轴向力，这种力引起振动，加剧磨损。 振动监测使用的仪器是振动传感器、测振仪、线性频谱压阻型虚拟测量加速 度仪、数字信号分析仪等。测量的参数可以是位移、速度和加速度【2 l 】。振动测 量按方向进行，如径向或轴向，检测机械故障传感器一般安装在轴承上。在定 子上安装探头，也能检测不均匀的气隙、定子绕组或转子故障、不对称的供电 电压以及负载的不平衡。因为电机正常磁通分布的任何变化，都将引起振动频 谱的变化。将整个频谱或某些频率成份的测量结果与新电机( 或某个已知状态 电机) 的测量数据进行比较，得到的检测结果准确率相当高。 信号处理在频谱分析仪中进行，简