刘兵-起重机械电气失效PPT课件.pptx

起重机电气系统 3 25 2020 1 电气故障与失效 电器元件失效 机械失效 电子元器件失效 3 25 2020 2 二 电气连接失效 电气连接广义上是指电气产品中所有电气回路的集合 包括电源连接部件例如电源插头 电源接线端子等 电源线 内部导线 内部连接部件等 而狭义上的电气连接则只是指产品内部将不同导体连接起来的所有方式 3 25 2020 3 2 1断路由于自然灾害 人为破坏等外部因素导致的线路损坏 3 25 2020 4 2 2接触不良 3 25 2020 5 3 25 2020 6 3 25 2020 7 2 3腐蚀 3 25 2020 8 三 绝缘失效 绝缘性能的失效是电气设备所有失效中导致的后果最为严重的 轻则造成整机设备的损坏 重则导致人体受伤甚至死亡 因此 为提高设备的绝缘性能 其结构设计应考虑绝缘零件结构 绝缘零件材料选择 接点中心距 绝缘有效间隔 连接器应用环境条件等因素 3 25 2020 9 3 1绝缘结构失效 3 1 1绝缘结构一种或几种绝缘材料的组合 根据电气设备的特点和尺寸要求 将它与导体部件设计成为一个整体 用以支撑 隔绝有电位差的导电部分 绝缘结构应保证在规定的气候环境应力作用下达到或超过规定指标的能力和工作的稳定性 杜绝导体绝缘介质严生漏电 发热 电晕 击穿等现象 3 25 2020 10 绝缘件结构设计主要是保证两导电体间的绝缘间隙 即两导电零件之间最短的空间距离 和爬电距离 即两导电零件之间沿绝缘体表面的最短距离 足够承受所要求的耐电压值 一般来讲 影响绝缘间隙的主要因素有 瞬时过电压 电场条件 即导电零件的形状 污染情况和海拔高度等 影响爬电距离的主要因素有 绝缘耐电压 工作电压 污染 其程度取决于温度 爬电距离的方向和位置 绝缘表面形状 静电沉积 绝缘材料性能 同间隙的关系 爬电距离不能小于有关间隙 有可能最短爬电距离就等于间隙 承受电压的时间以及其他因素 当导电零件间的绝缘间隙足够大时 可以有效地限制瞬时过电压的危害 因为绝缘间隙足够大时瞬时 过电压虽产生飞弧 但仍不足以电离绝缘间隙 导电零件间漏电流的大小取决于持续工作电压的有效值或直流值 所以爬电距离的大小就限制了持续工作的电压大小 3 25 2020 11 爬电距离和绝缘间隙 3 25 2020 12 由于起重机通常使用环境较差 建议将电气间隙增加50 或更多 由于有些起重机的使用场合粉尘较多 尺寸小于2 3mm的凹槽不宜计爬电距离 3 25 2020 13 3 2绝缘材料失效 3 25 2020 14 3 2 1 电气老化 在长期电场作用下绝缘中发生的老化称为电气老化 又称 电老化 固体绝缘本征击穿场强非常高 电器设备中绝缘材料击穿场强比本征击穿场强低 原因 厚度效应 杂质及气孔 绝缘击穿机理 电击穿 热击穿 电 机械击穿 油浸绝缘很少的水分及纤维杂质的混入 将使击穿电压下降 描述电老化的模型 主要有以下两种 即反幂模型和指数模型 由Peek在1929提出的 式中 L为失效时间 U为施加电压 k n c均为待定常数 3 25 2020 15 电老化实质上是局部放电对绝缘的破坏作用 在高电场强度作用下 在绝缘中某一区域内形成的树枝状局部损坏 在电场的持续作用下 树枝状微通道顺着电场方向贯穿整个绝缘 雷电是人们最早熟悉的树枝化击穿 后来在含有空气隙的固体绝缘中和油浸纸绝缘中也发现树枝化击穿 树枝都是起始于绝缘中电场集中的地方 3 25 2020 16 1 电树枝在干燥介质中 引发和发展主要是电场强度的作用 称为电树枝 脉冲电压和接地短路也能产生电树枝 电树枝通常笼廓较清晰 3 25 2020 17 树枝状放电的发展 3 25 2020 18 2 水树枝在潮湿的介质中 在电场强度比较低的条件下 经过电场的长时期作用也能产生树枝 在树枝的扩展过程观测不到放电 称为水树枝 水树枝通常笼廓较模糊 3 25 2020 19 如果介质中含有杂质和水分或化学溶液进入介质中 在低电场的长期作用下 产生有颜色的树枝 称为电化学树枝 因为水树枝和电化学树枝的引发机理相似 习惯上也可统称为水树枝 3 25 2020 20 电树枝 水树枝和化学树枝的区别 3 25 2020 21 3 2 2机械老化 电气设备绕组的电磁振动使绕组端部的主绝缘持续地承受着交变机械负荷 导致绝缘逐渐老化 主绝缘在这一情形下的老化称为机械老化 机械老化模型一般用下列经验公式来表示 式中 为反复弯曲变形的大小 N为剩余击穿电压降低到所规定电压以下的反复弯曲次数 m和km为常数 3 25 2020 22 3 2 2机械老化 3 25 2020 23 3 2 2 机械老化 电机定子主绝缘的机械老化实质上是线棒在电磁力作用下的振动老化 有以下特点 首先是绝缘的磨损 其次是由于振动使槽楔松 绑绳松和垫块松 形成间隙 不仅诱发局部放电 且使线棒悬空象悬臂梁一样振动 振幅大大高于设计标准 最终导致事故发生 3 25 2020 24 3 2 3 热老化 电气绝缘在电气设备运行中会因温度升高受热而发生物理和化学变化 导致其绝缘材料变质和老化 这种由于温度升高而发生的绝缘老化称为热老化 3 25 2020 25 不同耐热等级的绝缘材料在各种运行温度下长期运行的寿命 热老化一般数学模型表达式 其中 L为失效时间 T为温度 常数A B由化学反应的活化能来确定 该式是1948年Dekin在Arrhenius方程基础上建立的理论模型 3 25 2020 26 3 25 2020 27 即大致是A级绝缘为每升高8 其寿命减半 B级绝缘为升高10 寿命减半 H级绝缘是升高12 寿命减半 热老化速度与温度高低关系密切 有所谓的 8 10 12 减半规则 3 25 2020 28 水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后 它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离 严重影响介质内部或沿面的电气性能 在外施电压下 或者在电极间构成通路 或者在高温下汽化形成 汽桥 而使击穿电压显著降低 3 2 4受潮 3 25 2020 29 3 25 2020 30 3 2 5化学稳定性及抗生物特性 3 25 2020 31 绝缘材料在实际应用中往往同时受到多种老化因素的共同作用 其效应并不是各种单一因素老化效应的简单叠加 它们之间还存在着相互作用 所以老化机理很复杂 3 25 2020 32 四 电器元件失效 电器元件是接通和断开电路或调节 控制和保护电路及电气设备用的电工器具 起重机中常见的电器元件包括接触器 断路器 熔断器 按钮等 为了简化类别 将通俗意义上的电气装置如变频器 定子调压装置也归于电器元件 3 25 2020 33 接触器的组成部分 1 电磁机构 由线圈 动铁心 衔铁 和静铁心组成 2 触头系统 包括主触头和辅助触头 主触头用于通断主电路 有3对或4对常开触头 辅助触头用于控制电路 起电气联锁或控制作用 通常有两对常开两对常闭触头 3 灭弧装置 容量在10A以上的接触器都有灭弧装置 对于小容量的接触器 常采用双断口桥形触头以利于灭弧 对于大容量的接触器 常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构 4 其他部件 包括反作用弹簧 缓冲弹簧 触头压力弹簧 传动机构及外壳等 主触点接线 控制线圈接线 辅助触点接线 4 1接触器 继电器 3 25 2020 34 3 25 2020 35 接触器 继电器利用电磁感应原理进行工作 闭合 线圈通电线圈中心的铁芯被磁化衔铁吸合推动簧片动作常开触点吸合 常闭触点打开断开 切断线圈电流铁芯失去磁性衔铁复位簧片复位常开触点打开 常闭触点吸合 接触器内部结构示意图 3 25 2020 36 3 25 2020 37 1 触点熔焊 通过电器触点的电流超过触点本身的额定电流 或由于电器老化 触点之间电阻增大致使触点发热直至熔合粘连叫触点熔焊 初期较轻的触点粘连不影响接触器 继电器的正常工作 但是此时触点表面已经不平整 很容易造成进一步的触点熔焊 使接触器触点不能正常分断 3 25 2020 38 3 25 2020 39 2 触点烧损 接触器触点烧损是比触点熔焊更严重的故障 可能将整个触点烧掉或有爆炸状银粒飞溅 触点烧损的原因和触点熔焊的原因类似 可能是接触器本身质量问题或是选型不当以及操作频繁等原因 还有一种情况需要注意的是缺相 缺相可能是线路问题或是由于起动电流过大造成某相触点首先烧损而缺相 最后因为缺相造成电流更大将其他触点烧掉 或者将电动机烧掉 3 25 2020 40 3 25 2020 41 静触点 动触点 灭弧罩 灭弧栅内可见触头材料颗粒 3 25 2020 42 3 触点接触不良 接触器 继电器因长期使用 触点表面不干净 锈蚀 变形 磨损 由于电弧烧蚀造成凹凸 氧化 毛刺 以及机械卡阻等缺陷 反映到工作中变现为触点接触不牢 有间隙 接触面积下降 电阻变大 触点温度过高 更加严重的时候可导致接触器不导通 触点接触不良是长期使用的接触器中常见的故障之一 特别是那些在恶劣环境中使用却得不到良好维保的起重机 3 25 2020 43 触点中有异物 3 25 2020 44 有机沾污 无机沾污 3 25 2020 45 颗粒状白色附着物 白色附着物聚集成薄膜状 3 25 2020 46 触点磨损 簧片与壳体接触 3 25 2020 47 3 25 2020 48 4 簧片断裂 簧片沿晶断口及晶界过热 熔融 簧片断裂位置 3 25 2020 49 5 线圈失效 线圈失效情况很多 常见的有线圈引出线的连接处脱落 线圈烧毁或断线等 较多发生的是线圈烧毁 其原因有电压过高或过低 选型错误 铁芯油污 机械卡阻 吸合磁隙过大等 环境方面的因素如通风不良 过分潮湿 环境温度过高等 都会引起这种故障 线圈引出线断裂位置 3 25 2020 50 漆包线断裂形貌 3 25 2020 51 引出线与漆包线之间虚焊 焊点脱开 3 25 2020 52 4 2变频器 3 25 2020 53 3 25 2020 54 1 2变频器 3 25 2020 55 4 2 1功率元件 但工程应用反馈的情况表明 大容量IGBT的故障损坏率较比小电流的高很多 据不完全统计 中 高压变频器因IGBT失效而导致的故障占90 以上 而且年故障率较高 例如进口中压变频器 690V 400kW 平均每年损坏5 6次 3 25 2020 56 较大电流的IGBT都采用模块封装工艺 芯片被一次性固化在模块内部 模块标称电流为300A的器件 实际是4只75A芯片并联 而标称为600A的模块 内部则是8只芯片并联 大功率IGBT应用实践中反映出来的损坏率高的问题 显然和器件的多芯并联密切相关 除了不均流导致的电流损坏之外 多芯并联将使器件的电压可靠性大为降低 原因是并联的芯片只要有一个电压击穿 整个器件就完全失效 器件耐压的可靠性是并联芯片耐压可靠性的乘积 多芯并联的弊端显而易见 3 25 2020 57 一些案例 1 过压失效 IGBT芯片耐压环位置损坏严重 IGBT芯片耐压环位置损坏严重 故障点靠近硅片边沿或传感器 其电场较强 3 25 2020 58 故障点靠近硅片边沿或传感器 其电场较强 3 25 2020 59 2 过流失效 故障点集中于绑定线区域 因为短路电流流向是从背部的 C 到绑定线部位的 E IGBT芯片绑线点位置损坏严重 3 25 2020 60 3 25 2020 61 3 过热失效 故障点位于硅片中心附近 该区域发热严重 IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出 3 25 2020 62 IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出 3 25 2020 63 典型过热损坏 IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出 3 25 2020 64 IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出 3 25 2020 65 4 门极过电压 故障点位于栅氧化层 由于栅氧化层几乎分布在硅片的每个部位 所以故障点可能随机出现在硅片的任意地方 3 25 2020 66 3 25 2020 67 放大后 IGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹 3 25 2020 68 5 功率循环疲劳 键合线从硅片脱落 由于热膨胀系数的不同而产生的应力 导致铝线剥落 3 25 2020 69 6 热循环疲劳 位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂 这是由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致 3 25 2020 70 7 IGBT爆炸 对于IGBT发生爆炸 国外早有文献分析和记载 例如有文献认为 IGBT发生爆炸归结为 现代的IGBT变流器分布电感较小 没有对电流限制的电感 如果失效发生 设备中的电容所存储的能量将会被快速释放 能量通过IGBT器件 模块内的键合线 金属联线 被汽化 而且绝大多数的能量以等离子体的形式释放 如果等离子体由于模块设计而被限制在一个小的容积中 便可能引起爆炸 爆炸产生许多高能碎片将会损坏变流器的基本结构 以及周边的器件 还有可能伤及暴露的工作人员 3 25 2020 71 4 2 2滤波电容器 滤波电容器作用是滤除全波整流后的电压纹波及负载变化引起的电压波动 使直流电压保持平衡 因为受电容量和耐压的限制 滤波电路通常由若干个电容器并联成一组 又由两个电容器组串联而成 由于两组电容特性不可能完全相同 在每组电容组上并联