高压电力设备在线监测技术 第9章 电机在线监测与诊断

1、第九章第九章 电机在线监测电机在线监测与故障诊断与故障诊断On-line monitoring and fault diagnosis for Motor1本章内容 电机的故障特点与诊断内容 放电的监测 微粒的监测 振动的监测 温度的监测 发电机气隙磁通密度监测 发电机气隙间距的在线监测 发电机励磁碳刷火花监测 发电机的轴电压监测 转子绕组的绝缘电阻和平均温度监测 电机寿命的预测239.1.1 背景交交流流电电源源Process Mechanical and Electrical Feedback电机驱动系统电机驱动系统机械系统机械系统1200 rpm4v 全美电机系统消耗了全美电机系统消耗了

2、19%的总能源，的总能源，57%的的电力能源；电力能源；v 在制造业，电机消耗了在制造业，电机消耗了70%以上的电能；以上的电能；v 在过程工业，电机消耗在过程工业，电机消耗的电能占全厂的电能占全厂90%以上。以上。94%3%1% 2%停产损失能源消耗电机寿命降低常规消耗每年度成本核算中，附加消耗分布为停产损失每年度成本核算中，附加消耗分布为停产损失93.6%，附加能量消耗，附加能量消耗3.1%，电机寿命降低，电机寿命降低1.2%，常规消耗，常规消耗2.1% 。EPRI的报告的报告9.1.1 背景5根据根据 EPRI的报告：的报告： 电机故障的电机故障的 53%源于机械原因，如轴承故障、不平衡

3、、松动等；源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等； 47%源于电气原因；源于电气原因； 这其中，这其中，10%源于转子，如铸件缺陷导致的不平衡气隙、断条等；源于转子，如铸件缺陷导致的不平衡气隙、断条等； 37%源于定子绕组。源于定子绕组。 41%12%37%10%轴承故障对中问题定子故障（短路等）转子故障（断条等）9.1.1 背景624%17%20%1%5%10%12%5%6%过载过载潮湿潮湿润滑不良润滑不良化学污染化学污染粉尘颗粒粉尘颗粒单相运行单相运行轴承失效轴承失效绝缘老化绝缘老化其它其它9.1.1 背景Why condition monitoring? 提高生产能力提高生产能力 In

4、creased production pace 运行在收支平衡之上运行在收支平衡之上 Ongoing “cost shavings” 生产中断不可容忍生产中断不可容忍 Production disruptions are economically intolerable 世界级的生产运营需要可靠性维护世界级的生产运营需要可靠性维护 World Class Performance requires reliable productionManagement Strategies Utilizing existing machinery 合理利用现有设备合理利用现有设备 (New machines

5、 or existing? 购置新设备还是利用现有设备购置新设备还是利用现有设备) Increase Speed 增加生产速度增加生产速度 Improve Quality 提高质量提高质量 Increase Availability 增加有效生产时间增加有效生产时间 Lower the costs 降低成本降低成本(Energy, raw material, personell costs, etc.)Todays Situation 维修部门从单纯的维修，逐渐转变成为确保企业维修部门从单纯的维修，逐渐转变成为确保企业生产能力的高级职能单元生产能力的高级职能单元 维修费用占企业生产总成本的维修

6、费用占企业生产总成本的 4%到到14% 维修费用所占比例大于企业利润率维修费用所占比例大于企业利润率 故障停机异常昂贵，远远超过维修费用故障停机异常昂贵，远远超过维修费用The hidden possibilityProfit Contribution margin RevenueDirect costsCommon costsTotal assetsCurrent assetsFixed assetsRate of return+%Impact of Condition Based Maintenance 能耗 实验费用 安全成本 工作环境改善 环保要求 人员工资 实验 等等+%Potent

7、ialrevenue 时间损失 质量损失 速度损失Optimizing performance.Measure - compare - improve0.003World Class Performance.Modern management strategyOPE. Overall Performance EffectivenessMax.Prod.速度损失速度损失质量损失质量损失不可得时间不可得时间OPELoss of contribution.Overall Performance Effectiveness100 h90 hA = 0.9 (时间因子)90 ton/h81 ton/hP

8、 = 0.9 (速度因子)81 ton73 tonQ = 0.9 (品质因子)OPE = 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.73 x 100% = 73%Strategy for RCM泵泵 (101 )电机电机 (83)风机风机 (26)53 +/- 1594 +/- 24113 +/- 60Variation with confidence level of 95%.Prewarning time. Machines( no. of incidents)Days1）阻抗不平衡导致的电机效率的降低）阻抗不平衡导致的电机效率的降低0246810121416012345678% 阻抗不平衡

9、阻抗不平衡%效效率率降降低低0.750.80.850.90.951012345% 阻抗不平衡阻抗不平衡功功率率因因数数降降低低2）阻抗不平衡导致功率因数的降低）阻抗不平衡导致功率因数的降低01020304050607080012345678%阻抗不平衡阻抗不平衡%电电机机损损耗耗增增加加3）阻抗不平衡导致电机损耗）阻抗不平衡导致电机损耗0102030405000.511.522.533.544.55%温温升升% 阻抗不平衡阻抗不平衡4）阻抗不平衡导致温度上升）阻抗不平衡导致温度上升5）附加的温升导致电机寿命的降低）附加的温升导致电机寿命的降低 0204060801001200510152025

10、30% 温度升高温度升高%电电机机寿寿命命降降低低24 机械故障机械故障 轴承轴承 轴轴/轴承座轴承座 振动振动 测试方法测试方法 振动振动 红外红外 超声超声电机电机 电气故障电气故障 绕组短路绕组短路 绝缘不良绝缘不良 污染污染 转子故障转子故障 气隙气隙 测试方法测试方法 振动振动 绝缘测试绝缘测试 耐压、冲击试验耐压、冲击试验 欧姆表欧姆表 电流电流/电压表电压表 超声超声 红外红外电机电机耦合耦合(对轮或皮带对轮或皮带) 故障故障 不对中不对中/不对正不对正 带带/键键 磨损磨损 张力不当张力不当 皮带轮磨损皮带轮磨损 测试方法测试方法 振动振动 红外红外负载负载 (风机风机, 泵泵

11、, 压缩机压缩机, 齿轮箱齿轮箱, 等等) 负载故障负载故障 部件疲劳部件疲劳 (例如例如: 密封密封) 部件失效部件失效 (齿轮齿轮, 叶片等叶片等) 轴承失效轴承失效 测试方法测试方法 振动振动 红外红外 超声超声2829常规诊断方法绝缘电阻测试电机绝缘测试一直是电机检测中重要一环，绕组对地绝缘的状态决定了其在运行状态中的安全性，因此在投产前、检修后，它是常规检测中必不可少的测试项目。30常规诊断方法介质吸收比与极化指数31常规诊断方法高压冲击对比实验32电机静态诊断方法的误区！u 摇表就可解决问题错误！ 对地绝缘问题仅占电机系统故障中5%以下u 电桥可以检测到匝间短路错误！认为三相平衡是

12、电阻值的平衡是错误的；运行中三相电流的平衡与否要看三相阻抗是否平衡；匝间短路的发展与阻值的降低不成正比！u 使用匝间耐压试验仪？破坏性试验；波形复杂，难以分析；有些匝间短路的情况在波形上无反映；设备笨重。33静态电机电路分析技术交流电机等效电路分析u电阻 Ru电感 Lu电容 Cu感抗 XL= Lu容抗 XC= 1 / (C)u阻抗 Z2= R2+(XL - XC)2u相角 Fi= 34三相不平衡的原因之一：特殊设计定、转子的相对位置及定子绕组的设计；定子的类型：由于相对核心的磁路关系，叠绕型电感相间相等，而同轴型则存在少量的不平衡；35三相不平衡的原因之二：故障转子故障：l铸件缺陷l气隙不均衡

13、l偏心l断条断环定子绕组故障l匝间、线间(层间)、相间短路；l绝缘缺陷(磁通集中至缺陷点)36例：三相平衡三相电机 460V、60Hz、10HP，满负荷14A 线间阻抗：线间阻抗：ZAB =VAB / IAB32.945 = 650.5120V /19.875A37发生绕组短路，导致阻抗、相角不平衡：产生三相电流不均衡：38绕组短路的监测方法 I/F测试I/F值标志着绕组短路过程中，电感的失效程度39交流电机的静态监测40电机静态监测的 IEEE 标准以下评判标准是基于美国能源部 及 IEEE 15年的考核：阻抗测试较直阻R的测试更精确，I/F用于评估故障源于定子还是转子，且能够诊断早期匝间短

14、路等故障。41静态监测 快速故障诊断42静态监测 快速区分短路类型 相角 与 I/F的对应关系 ： Fi 与 I/F +/- 2 同相、同绕组的匝间短路； Fi +/- 1, I/F 平衡 同相绕组中线圈间短路（层间短路）； Fi 平衡, I/F +/- 2 相间短路； 此结论与电机大小无关 电阻 +/- 5%43线间短路与相间短路44静态监测 快速区分定子 快速区分定子/ /转子故障IEEE Penrose定理45静态监测 转子电磁特性评估46铸造缺陷 畸变发生在侧边(上升或下降段)，导致少量二倍频振动； 畸变发生在波峰或波谷时(出现扁平带)，降低电机输出转矩。IEEE Penrose定理4

15、7铸造缺陷与断条48断条49实例：匝间短路电阻、阻抗、电感都维持平衡，但I/F与Fi角有一定偏差，这种情况一般发生在具有大阻值绕组的小功率电机中的单匝短路。50实例： 300kW电机多次轴承失效n 300 kW, 3600 RPM 连续多次发生轴承失效n负载电流分析发现非标准信号n转子电磁特性测试结果说明存在铸造缺陷，同时存在偏心，最大的可能是轴套定位偏差。51实例： 转子断条 振动分析没有发现根源； R、Fi、I/F均无大的偏差，而Z、L偏差很大； 转子测试发现断条。52监测结果分析53电机电气信号分析技术频域分析频域分析时域分析时域分析54频域分析从时域波形转换成频谱图55 频谱分析法频谱

16、分析法 每种故障有其对应的特征频率。 据此确定机器的故障性质和严重程度。 趋势分析法、频谱趋势分析法趋势分析法、频谱趋势分析法 根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。 据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。56带滚动轴承的机械的频谱特点 不平衡不对中松动滚动轴承故障频率0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50RFrequency in order3.53.02.52.01.51.00.50Velocity in mm/s pk57时域分析589.2 放电的监测 局放量的定位技术局放量的定位技术 如何区分局放源如何区分局放源 局放在线监测技术局放在线

17、监测技术599.2.1 局部放电源的识别 频域分析频域分析 - 人工缺陷人工缺陷 - 绕组劣化绕组劣化 局放图谱局放图谱 - 极性极性 - 局放间隔，相位角局放间隔，相位角试验方法试验方法 需要更多的图谱分析技术需要更多的图谱分析技术 频域分析需展开进一步研究频域分析需展开进一步研究 需考虑复杂模式的局放传播规律需考虑复杂模式的局放传播规律结论结论9.2.1 局部放电源的识别9.2.1 局部放电源的识别绕组末端上的表面放电9.2.1 局部放电源的识别槽放电模拟9.2.1 局部放电源的识别 脉冲信号的传播特性脉冲信号的传播特性 - 校准信号校准信号 - 高压下的局部放电信号高压下的局部放电信号

18、传播局放信号测量方法传播局放信号测量方法 - 频域分析频域分析 - 波形波形试验方法试验方法9.2.2 局部放电定位技术 校准信号传播具有选频特性校准信号传播具有选频特性 局放传播的复杂行为局放传播的复杂行为 很难解释绕组端部效应很难解释绕组端部效应结论结论9.2.2 局部放电定位技术局放信号的传播特性 脉冲传播氢发电机模拟器 1994.11.9. (10V Pulse Injection, using Signal Generator) - C1 Coupler Propagation Characteristics of Stator W inding - Uiam #2: 5M Hz,:

19、 4M Hz,: 3M Hz,: 1M Hz,: 2M Hz,: 7M Hz,: 6M Hz,: 8M Hz,: 9M Hz: 10M Hz: 11M Hz: 12M Hz: 13M HzInjection Position (Slot Num ber)0816243240Per Unit Voltage.91.21.5脉冲传播T im e (nano-second)01002003004005006007008009001000 1100Pulse Magnitude (V)-3-2-10123456 1994.10.30. (Phase A , 10V Injection)

20、: A C 1 C oupler : A C 2 C oupler U iam #2 C alibration P ulse W aveform传播波形 水力发电机水力发电机 - PDA : 在线监测在线监测 - PDM : 连续监控仪连续监控仪 火力发电机火力发电机 - TGA :在线监测在线监测 - GODS :连续监控连续监控 高压电动机高压电动机 - HVMMS : 远程连续监控远程连续监控9.2.2 局部放电监测技术 噪声抑制技术噪声抑制技术 - 滤波器滤波器 - 时间窗时间窗 - 传播选频特性传播选频特性 - 图谱分析图谱分析 传感器传感器 - 经济的，便于安装经济的，便于安装 -

21、 固定的固定的:温度，局放温度，局放 频率范围频率范围 - 1 MHz 100 MHz 具有在线监测系统的旋转电机具有在线监测系统的旋转电机核能发电机GODS发电厂在线监测系统 陶瓷传感器陶瓷传感器一种新型局放监测传感器 ZoZoZoon-line on-line on-line ABC 极性鉴别极性鉴别差分差分放大放大on-line sensor on-line sensor on-line sensor 定子绕组定子绕组 A B C 内置的在线监测系统内置的在线监测系统电动机频频率率响应响应 : 高于高于10 MHz安装在楔子表面安装在楔子表面局放传感器经过滤波器经过滤波器 (30 MHz

22、-80 MHz (30 MHz-80 MHz 带通滤波带通滤波) ) 和噪声抑制的结果和噪声抑制的结果Response to PDResponse to PWM10 m V/div, 500 n sec/div500 m V/div, 2 sec/divPWM + PD10 m V/div, 200 n sec/div100 m V/div, 200 n sec/div倒相反馈电机的局放监测时延时延 微秒微秒时延时延 纳纳 秒秒Series-modeSeries-mode( )( )End-winding End-winding couplingcoupling( )( )局放定位技术 葛洲坝

23、电站最优维护信息系统19F局部放电在线监测系统 系统的采集分析过程如下：在每相安装双传感器，利用放电脉冲信号和外界干扰信号到达两个传感器的时延的不同，以消除随机脉冲型干扰，同时利用数字滤波幅值鉴别动态阀值等处理方法滤除其他干扰。传感器耦合到的六路信号进入信号调理单元后，经由多路开关选通其中一相对应的两路信号进行放大（衰减或者直通）处理，然后进入采集卡转化为数字信号后进入下位机，再把数字信号传入上位机和最优维护系统实施监控和数据处理。 发电机局部放电在线监测系统监测的数据 正常运行时的数据，最大放电幅值Qm为20mv左右，放电量NQN为50 mv左右。图中黄、绿、红分别表示A、B、C三相。 20

24、06-04-06日以后监测的数据明显增大，最大放电幅值Qm为30mv，放电量NQN为2500 mv左右。2006年4月18日19F机组停机进行C修。发电分部员工在进行发电机内部检查时，在 670、671线棒上端绝缘盒之间发现一段直径10mm的金属软管。 经过对670槽和671槽下层线棒认真地检查，在两根线棒的背面、端箍底部离槽口10公分处发现线棒绝缘已经被金属软管磨损。其中，671号线棒上端有直径10mm的半圆磨痕，670号线棒上端的棱角处有两个缺口，二者磨痕深度都在2-3mm左右，磨痕周围呈黑色。这些现象表明670槽和671槽已经放电受损，必须进行处理。如图所示： 处理过程（1）将两根线棒放

25、电部位的绝缘层修理圆滑，无棱角、突出部分，并用酒精清理干净。施工时避免扩大、加深损坏的绝缘层。（2） 调制环氧胶并记录，将修理后的绝缘层用环氧胶和环氧泥进行修补。先涂刷一层环氧胶，再用环氧泥修补凹处至高出原绝缘层，最后再刷一层环氧胶。（3）将云母带裁减成810cm长的云母片，粘贴两层在环氧胶上，用玻璃丝带压紧固定云母片至与原绝缘平齐。固化12小时后拆除玻璃丝带。检查云母片与原绝缘层完全搭接严实，无间隙。（4）在处理部位刷环氧胶，用玻璃丝带半叠绕包扎3层，每包一层刷一遍环氧胶。（5）待环氧胶固化后图刷188聚酯晾干红瓷漆2遍。 处理后局部放电在线监测系统监测的数据 2006-04-25日16时开

26、机后放电幅值及放电量起始比较大，和处理前相比略微减小，但开机8小时后明显减小；放电幅值与正常运行相同，为20mv左右；放电量A相较大，在900mv左右，B、C两相与正常一样，在50mv左右。 2006-04-25日16时开机后至2006-04-27日6时的数据如下图：2006-06-4日12时2006-06-09日02时波形见下图： 从图中可以看出，19发电机A、B、C三相放电幅值均小于等于50mv，放电量除个别点外，均在500mv以下；A相放电幅值和放电量的变化较为平稳，B、C相放电量有个别点突变，C相有1040mv，三相均无发散现象。因此，可以判断发电机三相定子绕组绝缘基本无异常 。939

27、.4 振动的监测转子机械损伤污染物堆积轴弯曲轴孔偏离中心风扇齿轮机械损伤轴孔偏离中心滑轮/槽轮飞轮轴94叶轮机械损伤腐蚀联轴器机械损伤轴孔偏离中心电气绕组铜线分布不均铸造缺陷热膨胀轴孔太大95静不平衡振动特征力偶不平衡振动特征动不平衡特征悬臂转子不平衡特征96不平衡振动特征q同一轴承上H与V振动相位差约为90度（+/-30度）。如果存在1X较大的振动，但是，H与V方向振动相位差为0度或接近180度，通常这说明是其他故障源，例如偏心。q两侧轴承的H方向振动的相位差应该接近V方向振动的相位差。q径向方向(H和V)振动通常比A方向振动大许多(除了悬臂转子之外)q在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。q共振有时可能受不平衡的影响较大。q不平衡对转子产生过大振动的影响可能很大。事实上，在有些刚度较低的轴承座上，不平衡的转子尽管很小的残余不平衡量，也还会出现不