第三讲电气设备故障特点概要

第三讲电气设备故障特点概要序：非电量在电气设备诊断中的应用

设备运行状态量中的非电量包括机械量信号及各种化学信号等。机械量信号有：①与生产功能无直接关系的信号，如振动、声音、轴承温度等；②与生产功能有直接关系的信号，如汽轮机的汽压、汽稳、转速等。化学信号视具体的设备和故障机理有许多种，如绝缘油含烃量、润滑油酸阶等。非电量的监测在电气设备故障诊断中有着重要的应用，并产生了许多新兴的测量技术、仪器仪表技术、信号处理与分析技术非电量监测装置的研制和开发是故障诊断学的重要内容。表征电气设备故障常用的非电特征量：振动与声响温度与温升压力、位置及变化绝缘分解物、水含量、机械杂质等一、振动与声响

发电机的振动

振动状态是衡量发电机能否持续可靠运行的重要指标。对运行中的发电机组而言，明显超过允许幅值的振动，将会导致转子滑环和电刷磨损加剧以及产生环火；使机组连轴器不能正常工作；严重时将会导致机组密封系统的破坏，连接部件松动和应力增大；并危及基础部分。振动加剧往往是机组发生事故的前兆。发电机的振动一般分为机械振动和电磁振动两种。仅就电磁振动就有以下的原因：①转子绕组匝间短路；②定、转子间气隙不均匀；③定子铁心组装接合处松弛；④转子中心位置偏移；⑤不对称负荷以及机组在转子临界转速下的共振、轴系扭振、油膜振荡和油膜涡动、电磁谐振等。加强对不同振动异常的识别才能诊断出引发此故障的真正原因。对发电机振动进行评价分轴承振动和轴振动两种形式，衡量指标是振动的相对位移和绝对位移值。由于汽轮发电机的轴比轴承等其它部位具有更大的振动位移量，因此，对轴振动的测量更能准确地评价和分析机组的振动情况。一、振动与声响

发电机的振动发电机组的扭振

在轴旋转方向上产生的振动称为扭转振动，简称扭振。在由多个旋转组件组成的轴系中，如果传递扭矩不恒定，存在交变力矩，能引起扭振；轴上扭矩的突然增加或释放，也产生轴系扭振。大型汽轮发电机具有细长的、分布质量——惯性矩轴系，在正常工况下，轴系传递转矩和转速都是十分稳定的。当电网故障，突然短路或油开关突然跳闸时，轴系中出现很高的交变应力和扭转变形，而产生扭振。这种随机扭振，对汽轮机和发电机具有很大的危险性。负序电流，产生的旋转磁场方向与正序的相反，产生2f1的交变扭矩，作用于机组轴系引起扭振。因为2f1>f1又称超同步、强迫扭振。电力系统次同步振荡的影响。如采用串联补偿电容器时，同步发电机参数与电力系统参数之间发生电感电容振荡，将产生自激磁现象，引起扭振。振动与故障的关系对于旋转机械，振动量是重要的运行状态特征，一切正常的旋转机械都会或多或少地发生它自己特有规律的振动（正如人体的脉搏）。异常振动是机械内部缺陷的表征。当设备内部出现故障、零部件产生缺陷、装配和安装情况发生变化时，其振动的振幅值、振动型式及频谱成分均会发生变化，不同的缺陷和故障，其引起的振动方式也不同。设备缺陷带来异常振动，通过对振动的测量分析，可以揭露设备内部隐形缺陷的存在和发展情况，有利于及时检修防止缺陷蔓延与发展。对异常振动不及时治理，也会促使设备连结部件松动、材质疲劳而导致设备的损坏。振动与故障的关系振动所表示的设备缺陷很多，旋转机械的大部分故障都可以从振动中表现出来。例如，静或动不平衡；轴系不对中；转子轴承损坏；部件联结部分松动；轴承润滑不良；动静部件间发生摩擦、碰撞；气穴；固体冲击等等。振动的基本参数：周期振动（简谐运动）——位移，速度，加速度、相位角、频率和振动力其它如准正弦振动（增长或衰竭），冲击振动，不规则的随机振动振动量不是一个恒定值，而是按周期反复出现的波动信号，或是由相同频率、不同振幅的信号以及不同频率的信号相互叠加的复杂波形。每个振动均能用振动位移峰峰值（从振动波的最高点——波峰到最低点——波谷之间的直线距离）、平均值、有效值等多种形式表示。振动与故障的关系低频时 振动体的振动强度与位移成正比中频时 振动强度与速度成正比（电机振动的主要频率范围）高频时 振动体的振动强度与加速度成正比如汽轮发电机，以及转速在100r/s以下的风机、水泵等辅机的滑动轴承，常用振动位移的峰峰值或振动速度的有效值（振动烈度，直接表示振动动量，反映的是设备在振动下可能遭受振裂破坏的危险程度，反映设备振动对人体和周围环境的危害）表达。如对于高频振动或要求传感器必须在100℃以上工作时，则采用振动加速度有效值表示。振动与故障的关系强迫振动 受外力的激励作用而产生。特点是振动频率同步于外来激振力频率（如旋转机械的转速）或等于它的整数倍；振动的峰值出现在比较窄的范围内，即轴的临界转速；加大振动系统的阻尼仅使振动峰值增减，不影响其频率；激励来源于转子不对称、不平衡或外力的影响。自激振动 依靠运动体本身不断为激励振动提供能量。最大特点是激振频率接近于转轴的一阶临界转速。表现为转轴以轴心为中心高速转动同时又以低频速度作弓状回转运动或称甩转（涡动、进动）。振动频率基本在一定范围内，和运动频率及外力的周期无关；在某种转速（发振转速）下振动突然加剧；如果加大振动阻尼，发振转速将上升，但和振动频率无关。振动与故障的关系轴振动的特点：位移峰峰值直接表示转子在机体内的位置变化，可以大致推断出转子与固定部件如汽封等有无摩擦的危险；在低速下可以测出测点位置的轴颈椭圆度或转子的弯曲值；可测取轴心轨迹，对分析油膜振荡等故障较有效。轴承振动的特点：间接显示机组振动位移情况，如采用振动速度传感器或加速度传感器，可以得到振动速度的有效值（振动烈度），有利于对振动量作出评价；装置于轴承盖上，利于检查、拆装和维护。振动与故障的关系考核轴振动的变化 当传感器支撑结构的绝对振动小于转轴相对振动的20%时，转轴相对振动或绝对振动都可以作为转轴振动量参数；否则，要进行转轴绝对振动测量。如转轴绝对振动值大于相对振动值，绝对振动是测量参数。评定转轴与非转动部件之间的气隙 转轴相对振动作为动静间隙的测量参数。转子在临界转速下的共振；不平衡振动及转子缺陷引起的振动；油膜振荡和油膜涡动；摩擦引起的振动；轴系扭振一、振动与声响

发电机的振动发电机组的扭振电力变压器的异常声响

变压器正常运行时，由于交流电通过变压器绕组，在铁芯中产生周期性的交变磁通，引起铁芯片的磁致伸缩，铁芯叠片间的磁应力以及线圈间的电磁应力引起振动，变压器发出轻微的连续的“嗡嗡”声音和振动（属正常声响），有其固有频率。发生故障时，其频率也发生变化。如果研究出异常、故障与频率的相互关系，利用该关系可作为故障诊断的手段。当变压器内部或外部发生故障时，电流波形发生变化，除基本波形即正弦波外，将产生各次谐波，导致杂音。即属于不正常现象，必须查明原因并消除。根据异常情况的不同，发生异常的原因主要有：①声音均匀持续，但比平时明显增大。电网发生单相接地或谐振过电压、变压器过负荷，使变压器电流超过额定值，磁通增加甚至饱和，铁芯振动加剧，发出大而沉重的“嗡嗡”声。②声音比平时增大，且有明显杂音。紧固部件如内部夹件、铁芯压紧螺钉松动，在电磁应力下引起硅钢片共振，使振动增强，能损坏硅钢片间绝缘，引起铁芯局部过热。③声音中夹杂“劈啪”的放电声或不均匀的爆裂声。多是由于绕组或引出线对外壳闪络放电，接地不良或未接地的金属部件发生静电放电，变压器内部绝缘击穿，产生严重放电。此时应立即停运并通知检查。④声音中有像水沸腾的“咕嘟”声。变压器内部发生匝间短路或分接开关接触不良，造成局部严重过热，使油温急剧升高沸腾。必须立即退出运行进行检修。一、振动与声响

发电机的振动发电机组的扭振电力变压器的异常声响其它电气设备的异常声响电压互感器的声音异常电压互感器中产生的有游离放电、静电放电等原因引起听得见的“噼啪、咝”之类声音；因螺栓、螺帽等的松动引起的共振声，等。电流互感器的声音异常当电流互感器开路时，会发出比正常时大得多的“嗡嗡”声。绝缘子的电晕放电声端子金具上突出部分的电晕放电，被污染的绝缘表面产生的沿面放电会发出可听得见的声音，还有其它如绝缘子、套管的龟裂和内部缺陷等原因噪声噪声是由不同频率和不同强度的声波混合而组成的。描述噪声的主要参数有：声速、波长、频率、声压、声功率、声场等。在实际测量中，常采用参数的相对值，如声压级、声强级、声功率级等。频谱分析能揭示噪声的规律性，反映噪声的各频率成分（量值、随时间的变化规律等）。电机设备噪声源有：电磁噪声、空气动力噪声、机械噪声、轴承噪声、电刷噪声等。二、温度

温度及温升

电机中运行中内部进行着能量交换，同时内部也存在着能量损耗。各种损耗都转化为热能，使各部分发热，使它们的温度高于周围介质的温度，即称为温升。热能必须通过冷却来加强散发，即必须进行通风冷却。电机设备在运行中产生的能量损耗有：基本铜耗（由于电阻引起，在传递能量的电气设备中同样发生）、铁损（涡流和磁滞损耗）、机械摩擦损耗、励磁损耗以及杂散损耗。当电气设备内部存在短路性故障时，就会在局部产生温度的急剧升高，形成所谓的局部异常温升。三种导热形式：传导、辐射、对流二、温度

温度及温升铁心过热点

交流电机定子铁心和电力变压器的铁心是磁路的重要组成部分，设计时一般采用较高的工作磁密，由于磁通是交变的，为了减少涡流和磁滞损耗，叠成铁心的硅钢片都是表面涂漆而相互绝缘的，当漆膜完好、片间绝缘良好时，铁心温度较低，而且整个铁心温度分布是均匀的。当由于各种原因破坏了铁心绝缘而造成片间局部短路时，短路的局部区域将产生较大的涡流而发热，进一步破坏相邻部分的片间绝缘而使故障进一步扩大，当环流增大到一定程度时，将使硅钢片熔化、局部高温同时将破坏绕组（线圈）绝缘造成电事故。早期特征是铁心的涡流和局部区域的温度过高。可通过红外热成像准确测量。二、温度

温度及温升铁心过热点绕组局部过热点

绝缘系统是电机机械和电气方面较薄弱环节，电机和变压器的绕组由于匝间短路、股线断裂造成内部放电，因绝缘磨损造成局部漏电流增大，线圈连接焊接不良导致局部过热是较常见的故障。其先兆是局部温升高，出现绝缘分解的异味等。局部过热的测量主要有：分布测点温度测量（如热电偶、光纤温度传感器）、红外热成像、绝缘分解物监测等手段。二、温度

温度及温升铁心过热点绕组局部过热点变压器绝缘油油温异常

运行中的变压器内部的铁损和铜损转化为热能，通过油循环传导、辐射等方式向外扩散，当达到热平衡状态时，变压器内部各部分温度趋于稳定。变压器顶层油温计指示变压器上层的油温。如果发现油温超过标准规定的运行限度，或者虽未超标但比同样情况下正常温升超过10℃以上，则认为变压器上层油温异常。导致变压器油温异常的原因主要有：①变压器内部故障引起的发热剧增，发热不平衡，油循环死角。变压器绕组的匝间短路、线圈的放电、铁芯及夹件的环流、内部引线接头发热乃至铁芯起火等都引起变压器温度异常增高。②冷却装置散热不正常。冷却装置运行不正常或发生故障，如潜油泵停运、风扇损坏、散热管道积垢不畅、散热器冷却效果差等都引起温度升高。二、温度

温度及温升铁心过热点绕组局部过热点变压器绝缘油油温异常电力电容器过热

电力电容器在运行中，由于环境温度的升高及过负荷，使介质损耗增加而发热，从而引起电力电容器浸渍剂受热膨胀，增加对外壳的压力。当这种压力长期增加时，会造成外壳的塑性变形，即胀肚现象，严重时造成外壳破裂。同时，在外壳裂缝处或焊接薄弱处，引出线瓷套管与外壳连接处，瓷套的顶部等处会出现渗漏油。二、温度

温度及温升铁心过热点绕组局部过热点变压器绝缘油油温异常电力电容器过热绝缘端子过热

绝缘套管的中心部位贯穿着通电流的导体，此导体经过套管头部的端子金具与母线相连接。当这种端子连接不良时，就会发生过热使端子变色，绝缘寿命缩短。采用红外线测温计检测发热情况热成像仪检测热分布情况。三、压力、位置及变化

电气设备在运行中总有一些可以观察的诸如压力、高度、位置等物理量，并要求保持这些量在一定的范围内才能保证电气设备的可靠运行。电气设备的故障也将会引起这些物理量的变化。绝缘油油位异常

变压器运行时油温的变化会使油体积变化，从而引起油位的上下移动。常见的油位异常如下：①假油位。如果变压器温度变化正常，而变压器油标管内的油位变化不正常或者不变化，则认为是假油位。造成假油位的原因有：油标管堵塞、油枕呼吸器堵塞、防爆管通气孔堵塞。②油位过低。变压器绝缘油起着绝缘与冷却的双重作用，因而，如果油位过低，增加了油和空气的接触，导线部分对地和相互间绝缘会降低，严重时使变压器绕组暴露于空气中，引起绝缘性能降低甚至烧毁。造成油位过低的原因大体有：严重漏油、缺油或变压器设计缺陷。三、压力、位置及变化

绝缘油油位异常绝缘子漏油

内部有绝缘油的绝缘套管，会由于瓷套管龟裂、过大的弯曲负载引起瓷套错位，或因密封材料老化等引起漏油。当漏油严重时，将引起套管绝缘的击穿，甚至导致装有套管的变压器、断路器、电抗器等损失。三、压力、位置及变化

绝缘油油位异常绝缘子漏油压力异常

发电机漏氢

发电机漏氢是国产100-200MW氢冷汽轮发电机普遍存在的问题。大量漏氢导致氢压下降，影响发电机冷却，从而限制发电机的出力。发电机漏氢的途径：外漏氢——通过泄漏点漏到机壳外的空气中；内漏氢——由于平衡阀性能不好，使氢侧油大量窜入空侧或密封瓦座结合面漏氢，氢气随回油而串入汽机主油箱。在发电机运行中，必须对空侧回油中含氢量进行监测。在水内冷发电机中，氢气漏入封闭导线或漏入空气冷却器的冷却水中，也是内漏氢。三、压力、位置及变化

绝缘油油位异常绝缘子漏油压力异常

发电机漏氢

水内冷发电机漏水

水冷却是发电机的重要冷却方式，须注意的特征量有：进水的温度、压力和流量、出水的温度、压力和流量以及温差如在发电机内部由于水管破裂而漏水，将导致冷却参数的变化。同时，漏水将严重地影响发电机内部的绝缘情况，造成重大的绝缘事故。四、分解物

组成电气设备的各组成部分（如导体、铁心等金属构件、绝缘层等）在温度、电磁场、电动力、化学腐蚀、机械力等的作用下，经过正常的老化或异常的加速分解，产生一定的化学成分。对分解产生的成分及产生速率的连续检测和分析能够发现存在于设备中的非正常因素——故障隐患。四、分解物

绝缘分解物

绝缘结构是各种气体、液体、固体绝缘材料的复合系统。对绝缘的应力有：热、电、环境和机械因子。热老化过程分为物理老化过程和化学老化过程。物理老化大致分为：①狭义的热老化——单纯和热作用引起；②氧化分解热老化；③加水分解的过程。化学老化指物质成分的挥发和氧气等活性气体向材料内部扩散。电压老化可分为局部放电老化和树枝状放电老化。在变压器内部，如果发生伴随着局部过热、局部放电之类发热的异常现象。发热源附近的绝缘油及固体绝缘物（压制板、绝缘板等）就会发生热分解反应，产生CO2、CO、H2及C