电气设备故障诊断各类故障的特征量非电量

电气设备故障诊断第四讲：各类故障的特征量（2.非电量）

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动发电机组的扭扭振电力变压器的的异常声响变压器正常运运行时，由于于交流电通过过变压器绕组组，在铁芯中中产生周期性性的交变磁通通，引起铁芯芯片的磁致伸伸缩，铁芯叠叠片间的磁应应力以及线圈圈间的电磁应应力引起振动动，变压器发发出轻微的连连续的“嗡嗡嗡”声音和振振动（属正常常声响），有有其固有频率率。发生故障时，，其频率也发发生变化。如如果研究出异异常、故障与与频率的相互互关系，利用用该关系可作作为故障诊断断的手段。当变压器内部部或外部发生生故障时，电电流波形发生生变化，除基基本波形即正正弦波外，将将产生各次谐谐波，导致杂杂音。即属于于不正常现象象，必须查明明原因并消除除。根据异常常情况的不同同，发生异常常的原因主要要有：①声音均匀持续续，但比平时时明显增大。电网发生单相相接地或谐振振过电压、变变压器过负荷荷，使变压器器电流超过额额定值，磁通通增加甚至饱饱和，铁芯振振动加剧，发发出大而沉重重的“嗡嗡””声。②声音比平时增增大，且有明明显杂音。紧固部件如内内部夹件、铁铁芯压紧螺钉钉松动，在电电磁应力下引引起硅钢片共共振，使振动动增强，能损损坏硅钢片间间绝缘，引起起铁芯局部过过热。③声音中夹杂““劈啪”的放放电声或不均均匀的爆裂声声。多是由于绕组组或引出线对对外壳闪络放放电，接地不不良或未接地地的金属部件件发生静电放放电，变压器器内部绝缘击击穿，产生严严重放电。此此时应立即停停运并通知检检查。④声音中有像水水沸腾的“咕咕嘟”声。变压器内部发发生匝间短路路或分接开关关接触不良，，造成局部严严重过热，使使油温急剧升升高沸腾。必须立即退出出运行进行检检修。一、振动与声响发电机的振动动发电机组的扭扭振电力变压器的的异常声响其它电气设备备的异常声响电压互感器的的声音异常电压互感器中中产生的有游游离放电、静静电放电等原原因引起听得得见的“噼啪啪、咝”之类类声音；因螺螺栓、螺帽等等的松动引起起的共振声，，等。电流互感器的的声音异常当电流互感器器开路时，会会发出比正常常时大得多的的“嗡嗡”声声。绝缘子的电晕晕放电声端子金具上突突出部分的电电晕放电，被被污染的绝缘缘表面产生的的沿面放电会会发出可听得得见的声音，，还有其它如如绝缘子、套套管的龟裂和和内部缺陷等等原因噪声噪声是由不同同频率和不同同强度的声波波混合而组成成的。描述噪噪声的主要参参数有：声速速、波长、频频率、声压、、声功率、声声场等。在实实际测量中，，常采用参数数的相对值，，如声压级、、声强级、声声功率级等。。频谱分析能能揭示噪声的的规律性，反反映噪声的各各频率成分（（量值、随时时间的变化规规律等）。电机设备噪声声源有：电磁磁噪声、空气气动力噪声、、机械噪声、、轴承噪声、、电刷噪声等等。二、温度温度及温升电机中运行中中内部进行着着能量交换，，同时内部也也存在着能量量损耗。各种种损耗都转化化为热能，使使各部分发热热，使它们的的温度高于周围围介质的温度度，即称为温温升。热能必须通过过冷却来加强强散发，即必必须进行通风风冷却。电机设备在运运行中产生的的能量损耗有有：基本铜耗耗（由于电阻阻引起，在传传递能量的电电气设备中同同样发生）、、铁损（涡流流和磁滞损耗耗）、机械摩摩擦损耗、励励磁损耗以及及杂散损耗。。当电气设备内内部存在短路路性故障时，，就会在局部部产生温度的的急剧升高，，形成所谓的的局部异常温温升。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子铁心和电力力变压器的铁铁心是磁路的的重要组成部部分，设计时时一般采用较较高的工作磁磁密，由于磁磁通是交变的的，为了减少少涡流和磁滞滞损耗，叠成成铁心的硅钢钢片都是表面面涂漆而相互互绝缘的，当当漆膜完好、、片间绝缘良良好时，铁心心温度较低，，而且整个铁心温度分布布是均匀的。当由于各种原因破破坏了铁心绝缘而而造成片间局部短路时，短路路的局部区域将产产生较大的涡流而而发热，进一步破坏相邻邻部分的片间绝缘缘而使故障进一步步扩大，当环流增增大到一定程度时时，将使硅钢片熔熔化、局部高温同同时将破坏绕组（（线圈）绝缘造成成电事故。早期特征是铁心的涡流和局部部区域的温度过高高。可通过红外热成像像准确测量。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机械和电气方面较较薄弱环节，电机机和变压器的绕组组由于匝间短路、、股线断裂造成内内部放电，因绝缘缘磨损造成局部漏漏电流增大，线圈圈连接焊接不良导导致局部过热是较较常见的故障。其其先兆是局部温升高高，出现绝缘分解解的异味等。局部过热的测量主主要有：分布测点点温度测量（如热热电偶、光纤温度度传感器）、红外外热成像、绝缘分分解物监测等手段段。二、温度温度及温温升铁心过热热点绕组局部部过热点点变压器绝绝缘油油油温异常常运行中的的变压器器内部的的铁损和和铜损转转化为热热能，通通过油循循环传导导、辐射射等方式式向外扩扩散，当当达到热热平衡状状态时，，变压器器内部各各部分温温度趋于于稳定。。变压器顶顶层油温温计指示示变压器器上层的的油温。。如果发现现油温超超过标准准规定的的运行限限度，或或者虽未未超标但但比同样情况况下正常常温升超过10℃以上上，则认认为变压压器上层层油温异异常。导致变压压器油温温异常的的原因主主要有：：①变压器器内部故故障引起起的发热热剧增，，发热不不平衡，，油循环环死角。。变压器绕绕组的匝匝间短路路、线圈圈的放电电、铁芯芯及夹件件的环流流、内部部引线接接头发热热乃至铁铁芯起火火等都引引起变压压器温度度异常增增高。②冷却装装置散热热不正常常。冷却装置置运行不不正常或或发生故故障，如如潜油泵泵停运、、风扇损损坏、散散热管道道积垢不不畅、散散热器冷冷却效果果差等都都引起温温度升高高。二、温度温度及温温升铁心过热热点绕组局部部过热点点变压器绝绝缘油油油温异常常电力电容容器过热热电力电容容器在运运行中，，由于环环境温度度的升高高及过负负荷，使使介质损耗耗增加而而发热，从而引引起电力力电容器器浸渍剂剂受热膨膨胀，增增加对外外壳的压压力。当这种压压力长期期增加时时，会造造成外壳壳的塑性性变形，，即胀肚现象，严严重时造造成外壳壳破裂。。同时，，在外壳壳裂缝处处或焊接接薄弱处处，引出出线瓷套套管与外外壳连接接处，瓷瓷套的顶顶部等处处会出现现渗漏油油。二、温度温度及温温升铁心过热热点绕组局部部过热点点变压器绝绝缘油油油温异常常电力电容容器过热热绝缘端子子过热绝缘套管管的中心心部位贯贯穿着通通电流的的导体，，此导体体经过套套管头部部的端子子金具与与母线相相连接。。当这种端端子连接接不良时时，就会会发生过过热使端端子变色色，绝缘缘寿命缩缩短。采用红外外线测温温计检测测发热情情况热成像仪仪检测热热分布情情况。三、压力、位位置及变变化电气设备备在运行行中总有有一些可可以观察察的诸如如压力、、高度、、位置等等物理量量，并要要求保持持这些量量在一定定的范围围内才能能保证电电气设备备的可靠靠运行。。电气设设备的故故障也将将会引起起这些物物理量的的变化。。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、位位置及变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、位位置及变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、位位置及变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、分解物组成电气气设备的的各组成成部分（（如导体体、铁心心等金属属构件、、绝缘层层等）在在温度、、电磁场场、电动动力、化化学腐蚀蚀、机械械力等的的作用下下，经过过正常的的老化或或异常的的加速分分解，产产生一定定的化学学成分。。对分解产产生的成成分及产产生速率率的连续续检测和和分析能能够发现现存在于于设备中中的非正正常因素素——故障隐患患。四、分解物绝缘分解解物绝缘结构构是各种种气体、、液体、、固体绝绝缘材料料的复合合系统。。对绝缘缘的应力力有：热热、电、、环境和和机械因因子。热老化过过程分为为物理老老化过程程和化学学老化过过程。物物理老化化大致分分为：①狭义的的热老化化——单单纯和热热作用引引起；②氧化分分解热老老化；③加水分分解的过过程。化学老化化指物质质成分的的挥发和和氧气等等活性气气体向材材料内部部扩散。。电压老化化可分为为局部放放电老化化和树枝枝状放电电老化。。在变压器器内部，，如果发发生伴随随着局部部过热、、局部放放电之类类发热的的异常现现象。发热源附附近的绝绝缘油及及固体绝绝缘物（（压制板板、绝缘缘板等））就会发发生热分分解反应应，产生生CO2、、CO、、H2及CH4、、C2H4、C2H2等烃类气气体。对对变压器器油样和和气体继继电器集集气的分分析，能能判断有有无异常常发热。。根据分解解反应时时的温度度及发生生分解反反应的材材料，将将产生不不同的气气体。通过分析析气体的的成分，，能够诊诊断发热热异常的的类型。。在发电机机内部，，绝缘分分解物变变成微粒粒子，一一部分被被气化，，监测散散到冷却却气体中中去的微微粒子，，能够提提前发现现发电机机内部的的过热监测绝缘缘分解物物的诊断断手段有有：气