电机在线监测与诊断

电机在线监测与诊断第一页，共107页。电机的故障特点与诊断内容故障识别必须对诊断对象的各种性能、结构、各种参数非常熟悉。电机包含有以下几个独立相互关联的工作系统：电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统和通风散热系统。电机组成部分：定子、转子、轴承装置、底板及一些附属结构（如风扇、换向器等）。一个故障在电机上常常表现出多种的故障征兆。也有几个故障起因反映同一个故障征兆第二页，共107页。笼型异步电动机因笼条断裂时，就会出现振动增加，起动时间延长，定子电流摆动，电机滑差增加，转速转矩波动，温升增高等故障征兆一台直流电机运行中由于过载、机械振动、换向器变形、维护不当、湿度过低等诸原因，造成换向恶化故障。恶劣的环境和苛刻的运行条件，以及超过技术条件所规定的允许范围运行，往往是直接导致电机故障的起因第三页，共107页。电机的故障特点与诊断内容电机典型故障归纳：1、定子铁心故障通常发生在大型汽轮机发电机上，主要是铁心深处的过热问题早期征兆是大的环路电流、高温和绝缘材料的热解2、绕组绝缘故障原因：绝缘老化，绝缘缺陷及引线套管受污染主要症状：定子绕组局部放电量的增加第四页，共107页。发电机中常用局部放电（PD）在线监测这类故障感应电动机中常用定子电流信号分析确定定子绕组故障3、定子绕组股线故障（发电机）股线间短路产生电弧发电、可能发展接地故障或相间短路故障征兆：水冷电机的冷却水中有绝缘材料热解产生的气体第五页，共107页。4、定子端部线圈故障运行过程产生的冲击力使定子端部绕组发生位移，从而引发绝缘劣化和发生局部放电征兆：振动和局部放电5、冷却水系统故障征兆：定子线棒或冷却水温度偏高、绝缘材料热解及可能引起的放电6、转子绕组故障（异步电动机）第六页，共107页。转子故障主要有转子导条断裂，这将引起转矩跳动，转速波动，转子振动以及过热等最常见的检测方法是定子电流监测（监测效果较困难），常采用振动和绝缘材料热解监测方法。7、转子绕组故障（发电机）主要是匝间短路故障。匝间短路可能由于发电机在低速启动或停车时，槽中导体表面的污物引起了电弧，或者是巨大的离心力和高温影响了绕组和绕组绝缘。匝间短路故障可引起局部过热甚至导致转子接地。第七页，共107页。通用的监测方法是采用气隙磁密监测，通过探测气隙磁密，可以确定匝间短路的数量和位置；监测轴承振动是否加强。8、转子本体故障（各类电机）主要由巨大的转子离心力、大的负序暂态电流和转子不同心引起征兆：轴承处过量的振动第八页，共107页。对不同故障进行相对应特征量的监测1、放电监测2、温度监测3、热解产生的微粒监测4、振动监测5、气隙磁密监测第九页，共107页。第一章电机红外诊断第十页，共107页。第一章电机红外诊断一、红外诊断基础第十一页，共107页。

1.红外线位置第十二页，共107页。2.红外测温具有下列特点(1)测温范围广；-170℃～+3200℃。(2)测温精度高：可分辨0.01K或更小。 (3)反应速度快：可在几毫秒内测出物体的温度。(4)可测小目标：最小可测出直径为7.5um的目标温度。(5)不接触被测物体，不破坏其温度场。(6)测距可远可近。第十三页，共107页。3.

红外测温与接触测温性能比较

第十四页，共107页。4.红外热像仪红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）：是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。第十五页，共107页。图10-2-8红外热像仪基本原理框图第十六页，共107页。第七章电机红外诊断二、红外诊断技术第十七页，共107页。1.红外诊断技术的构成一台运转中的设备，当其零部件产生故障时，设备的整体或局部的热平衡会受到破坏或影响，设备内部的热必然逐步到达其外部表面，导致外表温度场分布的变化。红外检测技术捕捉到这些红外辐射的信息，通过检测结果总结分析，可以发现:不同部位有不同的温度界限，同一部位在不同故障情况下有不同的温度等级。确诊出设备的故障性质、部位和程度，进而预测故障发展趋势和设备的寿命。如图所示第十八页，共107页。红外诊断技术的构成第十九页，共107页。2.红外热像仪的测温方法1．模拟量测温方法较早期的红外热像仪，利用热像仪输出的视频模拟信号测量物体的温度，实质上就是测量物体视频信号的幅度。2．智能化测温方法运用微处理机,摆脱模拟量的非线性校正和叠加的繁琐过程。通过多路模拟开关和A/D转换器分别获得被测物体图像信号电压与参考黑体温度电压的数值;然后根据各自的函数关系进行计算；比模拟量方法精确3．软件化测温方法配置有完整的图像处理系统，它包括相应的硬件和软件。利用该软件，测量并显示出目标及其热图像上任意位置点温度值的精确结果和区域分析结果等。第二十页，共107页。

三、电机红外诊断实例第二十一页，共107页。1.电机故障的产生、特征与发展（以发电机为例）

第二十二页，共107页。实例1.发电机定子线棒接头故障红外诊断（1）基本原理绕组有电阻，通电发热当发电机容量确定后，线棒固有电阻即为定值。大型发电机，每相绕组线棒接头可达上千个，如果各接头接触电阻彼此不等，其中焊接不良的接头必然接触电阻大、发热量多和温升也高。因此，定子线棒焊接质量的红外诊断，实质上就是在向定子某一支路（或一相）绕组通入相同电流的条件下，用红外热像仪测量和比较各接头温度（或温升）来进行判别的。第二十三页，共107页。实例1.发电机定子线棒接头故障红个诊断图10-4-3实测一台50MW水轮发电机定子线棒接头温度分布直方图最右力部分为高温第二十四页，共107页。实例1.发电机定子线棒接头故障红个诊断（2）判据属于以下情况之一的线棒接头应该判为焊接质量不合格（或已出现焊接故障）1）热像不连续且温升超过平均温升10℃者；或温升超过平均温升10℃，且在温度分布直方图中远离温度连续分布区的接头。2）当已知接头绝缘层内外表面温度降时，在额定电流下，线棒接头表面温度推算到接头内的温度值超过110℃者。第二十五页，共107页。（3）图10-4-4发电机定子线棒接头焊接故障热像图

第二十六页，共107页。实例2.

定子铁心故障的红外诊断发电机定子铁心故障主要是铁心局部短路，这些短路点多数出现在定子齿部表面，也有些在槽部，但很少发生在铁心内部和轭背。第二十七页，共107页。实例2.

定子铁心故障的红外诊断（1）定子铁心故障的红外检测方法在运行状态下，发电机定子铁心封闭在机壳内，无法进行在线监测；只能在静态下抽出转子，外施电源励磁，使定子铁心磁通密度接近额定值，借助铁损产生的温升进行铁心故障的红外检测。具体方法：通入的励磁电流应可使铁心产生约1.0T的磁通密度；测量铁心在圆周方向的磁通密度分布并作出曲线，利用原有铁心和线棒温度测点监视和控制铁心温度不得超过允许值(105℃)。在磁通密度1.0T下持续试验时间为90min，如果故障点不能明显暴露出来，试验磁通密度可增大到1.4T，持续时间为45min。第二十八页，共107页。实例2.

定子铁心故障的红外诊断（1）定子铁心故障的红外检测方法水轮发电机：定子铁心轴向较短，直径很大，可把红外热像仪置于铁心中央，沿铁心内圆的圆周方向扫描，并记录扫描热像。把这些热像连接起来，相当于定子铁心内圆展开从施加励磁时开始测试，每隔30min测量一次，直至温升接近稳定时为止。汽轮发电机定子铁心轴向较大、直径较小，热像仪置于铁心两端，对着铁心内圆扫描，记录整个铁心内圆的热像。把这些热像拼接起来呈扇形状。第二十九页，共107页。实例2.

定子铁心故障的红外诊断

图10-4-5良好定子铁心热像图图10-4-6有三处缺陷的定子铁心热像图第三十页，共107页。实例3..某发电机定子铁心热像图

a)励磁机侧左侧b)汽轮机侧左侧

第三十一页，共107页。其它第三十二页，共107页。第二章电机绝缘诊断第三十三页，共107页。一、电机绝缘老化第三十四页，共107页。一、电机绝缘老化电机在长期运行后绝缘性能渐趋劣化，绝缘结构的老化是各种劣化的综合表征。造成电机绝缘结构老化的因素很多：第三十五页，共107页。1.电机绝缘劣化因素表11-2-1电机绝缘劣化因素及产生的劣化征象第三十六页，共107页。2.高压交流电机绝缘劣化过程图11-2-2高压交流电机绝缘劣化过程第三十七页，共107页。二、电机绝缘的特征量第三十八页，共107页。1.绝缘的特征量

1．局部放电量、放电位置设备内部绝缘(油、纸)若存在杂质、气泡，它会导致其内部放电，日长月久就可能导致放电部位扩大，最后击穿。因此及早的监测其放电量和放电位置，并及时维修处理，可避免大事故发生。但开始发生放电时，其放电量很小，难以测量及定位。2．介质损耗因数介质损耗因数是表明设备绝缘状态的重要参数之一，当测得设备的大时，说明设备绝缘受潮，电导电流增大或内部有局部放电。设备正常时其值在0.1％~0.8％之间。第三十九页，共107页。1.绝缘的特征量

3．泄漏电流对于一些设备不能测量值时，也可用测量泄漏电流方法确定设备绝缘受潮或损坏程度。4．设备电容值设备中若进水时，其电容值会增大，但漏油时，其电容值会减少。规程规定当电容值的偏差超出额定值-5％~10％范围，应停电检查。上述4项特征参数中，局部放电是反映绝缘状态最灵敏的量，其次值、电容值漏电流也可反映绝缘状况。第四十页，共107页。2.电机绝缘诊断内容第四十一页，共107页。3.我国关于交流电动机绝缘电阻的测量要求

（1）测量绕组的绝缘电阻和吸收比，应符合下列规定：1）额定电压为1000V以下，常温下绝缘电阻值不应低于0.5MΩ；额定电压为1000V及以上，在运行温度时的绝缘电阻值，定子绕组不应低于每千伏1MΩ，转子绕组不应低于每千伏0.5MΩ。绝缘电阻温度换算可按本标准附录二的规定进行。第四十二页，共107页。3.我国关于交流电动机绝缘电阻的测量要求

2）1000V及以上的电动机应测量吸收比。吸收比不应低于1.2，中性点可拆开的应分相测量。注：①进行交流耐压试验时，绕组的绝缘应满足本条第一、二款的要求。②交流耐压试验合格的电动机，当其绝缘电阻值在接近运行温度、环氧粉云母绝缘的电动机则在常温下不低于其额定电压每千伏1MΩ时，可以投入运行。但在投运前不应再拆开端盖进行内部作业。第四十三页，共107页。3.我国关于交流电动机绝缘电阻的测量要求

（2）测量电动机轴承的绝缘电阻，当有油管路连接时，应在油管安装后，采用1000V兆欧表测量，绝缘电阻值不应低于0.5MΩ。第四十四页，共107页。4.绝缘诊断的程序

第四十五页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验纵览

测量绝缘系统整体性的直接方法是直流、交流和(或)冲击耐压的击穿强度试验.目前对新机和在役机组普遍采用的诊断性试验主要包括：绝缘电阻及极化指数、直流耐压及泄漏电流试验、交流耐压试验、介损增量试验、局部放电测量;另外还有手包绝缘表面对地电位试验、槽放电试验、紫外光检测电晕试验等。第四十六页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验(1)绝缘电阻及极化指数影响绝缘电阻值的主要因素包括：表面杂质(油污、绝缘表面受潮的粉尘、防晕层等)、湿度、温度、试验电压幅值、剩余电荷。该试验对于发现绕组脏污和吸潮是非常好的方法，当然也能够发现绝缘裂缝或穿透性绝缘故障。第四十七页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（2）交流耐压试验交流耐压的试验目的是发现绕组中的贯穿性缺陷。其基本出发点是：如果绕组在高于运行电压的耐压试验中未发生故障，当其投入运行时绕组应不会很快发生因绝缘老化而导致的故障。由于交流耐压试验中绝缘系统的应力分布与运行中相同，因此更易于找到在系统有相对地故障时、非故障相过电压可能导致的定子故障。耐压试验的结果是通过或未通过，没有其他评估信息。第四十八页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（3）直流耐压及泄漏电流试验交流耐压试验中绝缘系统的应力分布取决于电容，直流耐压时电压的分布取决于绝缘系统各部分的绝缘电阻，绝缘电阻小的部位承受电压也低。第四十九页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（4）介损增量试验介损试验：是用于确定高压定子线圈中是否发生局部放电的间接方法，由于局部放电大小可反映发电机绝缘系统劣化的程度，所以从介损增量试验中可以看出绝缘中是否存在比较普遍的缺陷。理论上，在较低电压时绝缘的介质损耗与电压无关，而当电压升高时，如果主绝缘中存在的空隙发生局放，局放产生的热、光、声所消耗的能量就表现为损耗的异常增加，测量的介损值相应增加，将超过正常因介质损耗而产生的数值。第五十页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（5）局部放电试验局部放电是引起许多定子绕组绝缘故障产生的原因，也是早期故障的重要信号局放试验是评估定子绕组状态的很重要的一个诊断性试验。局放脉冲的时间是毫微秒级的，其频谱最高到几百MHz使用可以测量高频信号的仪器就可以探测到PD脉冲电流。局放试验的关键是被测量Qm

（最高局放脉冲的幅值（最大视在局放量）)按照测量方法的不同有以下几种单位。1)pC：实验室使用比较多，比较直观；2)mV：在示波器和脉冲幅值分析仪(PMA)上读取，PMA还可以计算每段幅值脉冲的个数；3)mA：使用工频TA在示波器上读取；4)dB(分贝)：使用频谱分析仪记录脉冲时使用。第五十一页，共107页。6.大型电机定子绕组绝缘诊断性试验（5）局部放电试验理论上每个PD脉冲的幅值与空隙的大小成正比，PD越大说明该缺陷越大。与介损试验相比，介损反映的是绕组整体存在空隙的情况，而最大视在局放量反映的是绕组中最劣化部位的状态。第五十二页，共107页。二、电机局部放电诊断

（主要针对高压电机）第五十三页，共107页。1.电机离线时局部放电测量

图11-4-30是局部放电测量最基本的原理图测量系统由施加试验电压和高频电压检测两部分组成。外施电压部分：与交流工频耐压试验相同高频电压检测部分：局部放电信号：由高频耦合电容器上拾取测量仪表：局部放电电量仪，测量和记录局部放电电荷量Qmax。第五十四页，共107页。1.电机离线时局部放电测量图11-4-30电机局部放电试验线路T1－调压器；T2－试验变压器；R－限流电阻；PT－电压互感器；V－电压表；M－被测电动机；CA、CB－耦合电容；

L、C－测量回路电感电容；V1－脉冲峰值电压表第五十五页，共107页。1.电机离线时局部放电测量测得的曲线上：如放电起始电压Uc较高，则可认为该电机局部放电是正常的；当放电电量较大，放电起始电压又较低，如图中虚线，则说明电机局部放电现象较严重，需进一步诊断其原因和放电主要部位。图11-4-31局部放电曲线

第五十六页，共107页。1.电机离线时局部放电测量图11-4-32检测电路图第五十七页，共107页。2.发电机局放在线监测系统组成：系统采用高频宽带电流传感器、宽带前置放大电路、窄带信号检波和报警单元、包括DSP信号高速采集模块的工控机和高性能服务器等，组成宽带加窄带的系统硬件配置方式（见图）。系统的信号源为发电机中性点，在发电机中性线上安装高频宽带电流传感器(CT)，在传感器附近配置宽带前置放大电路，传感器的输出信号经宽带前置放大电路进行宽带放大和阻抗匹配后，再利用50Ω同轴电缆将信号送往距现场较远的后级窄带处理单元和宽带处理单元分别处理。第五十八页，共107页。2.发电机局放在线监测系统宽带处理单元将宽带前置放大器送过来的宽带信号经隔离后送到DSP高速采样系统。由工控机和服务器对信号进行抗干扰处理和提取特征参数后存入局放信号特征数据库，专家系统根据特征数据库中的宽带和窄带历史数据作出电机绝缘状态的诊断。第五十九页，共107页。2.发电机局放在线监测系统图13-5-27HSB-1型局放在线监测系统结构图第六十页，共107页。第三章电机振动诊断第六十一页，共107页。序对于旋转机械，振动量值是重要的运行状态特征健康的旋转机械都会有振动人体的脉搏一样，在正常情况下，脉搏的跳动并不妨碍人体从事各种活动。当人体内部有病的时候，脉搏就会有各种异常表现。诊断脉搏的变化可以查知病况，及时给予正确的治疗。异常振动也是机械内部缺陷的表征。通过振动的测量分析，揭露出设备内部隐形缺陷第六十二页，共107页。一、电机的电磁振动第六十三页，共107页。1.定子电磁振动异常主要原因(1)三相交流电机定子异常产生的电磁振动。(2)气隙静态偏心引起的电磁力。(3)气隙动态偏心引起电磁振动(偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此偏心的位置随转子而转动)。(4)转子绕组故障引起的电磁振动。(5)转子不平衡产生的机械振动。转子不平衡的原因：①电机转子质量分布不均匀②转子零部件脱落和移位③联轴器不平衡，冷却风扇不平衡，皮带轮不平衡④冷却风扇与转子表面不均匀积垢。第六十四页，共107页。1.定子电磁振动异常主要原因(6)滑动轴承由于油膜涡动产生振动。(7)滑动轴承由于油膜振荡产生振动。(8)加工和装配不良产生振动。(9)安装时，轴线不对中引起振动。(10)定子铁心和定子线圈松动(11)电动机座底脚螺钉松动，相当于机座刚度降低。第六十五页，共107页。2.定子异常电磁振动（1）原因定子三相磁场不对称：电网三相电压不平衡定子绕组三相不对称等定子铁心和定子线圈松动电动机座底脚螺钉松动第六十六页，共107页。2.定子异常电磁振动（2）特征振动频率为电源频率的2倍。切断电源，电磁振动立即消失。这是区分电磁振动与其它振动的基本方法。振动可以在定子机座和轴承上测得。振动与机座刚度和电机的负载有关。

第六十七页，共107页。2.转子绕组不平衡引起电磁振动(1)原因：①笼条铸造质量不良，产生断条或高阻②笼形转子因频繁起动，电机负载大产生断条或高阻③绕线式异步电动机的转子绕组回路电气不平衡，产生不平衡电磁力④同步电动机励磁绕组匝间短路。第六十八页，共107页。2.转子绕组不平衡引起电磁振动(2)特征：①与转子动态偏心产生的电磁振动，波形相似，现象相似，较难区别：振动频率为f0/p

②在空载或轻载时，振动与节拍噪声不明显;当负载增大时，这种振动和噪声随之增加③在定子的一次电流中，也产生脉动变化，其脉动节拍频率为2sf。④对定子电流频谱图中，基频两边出现边频。⑤同步电动机励磁绕组匝间短路，能引起f0/p频率(转频)的电磁振动和噪声⑥断电后，电磁振动和电磁噪声消失第六十九页，共107页。2.转子绕组不平衡引起电磁振动

图12-2-3转子绕组不平衡引起电磁振动a)发生振动机理b)电磁振动波形第七十页，共107页。3.电动机气隙不均引起的电磁振动

气隙不均匀(气隙偏心)有两种:静态不均匀(静态偏心)动态的不均匀(动态偏心)它们都会引起电磁振动，但是振动的特征并不完全相同。第七十一页，共107页。3.电动机气隙不均引起的电磁振动

静态气隙偏心产生的电磁振动特征：1)电磁振动频率是电源频率f0的2倍，即f＝2f0；2)振动随偏心值的增大而增加3)振动随负载增大而增加；4)断电后电磁振动消失；5)气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动较难区别第七十二页，共107页。3.电动机气隙不均引起的电磁振动

气隙动态偏心产生电磁振动的特征：1)转子旋转频率和旋转磁场同步频率的电磁振动都可能出现。2)电磁振动以周期脉动，负载增加，S加大，脉动节拍加快。3)发生与脉动节拍相一致的电磁噪声。4)断电后，电磁振动消失，电磁噪声消失。第七十三页，共107页。二、电机振动的诊断第七十四页，共107页。1.电机振动的简易诊断电机的振动简易诊断一般在运行现场进行使用设备通常是便携式测振仪定期、定点，单一频段内的总振级的测量仪器频响范围一般为10～1000Hz，对于电机的振动是否正常作出迅速评价第七十五页，共107页。二、电机振动的诊断

1.电机振动的简易诊断

第七十六页，共107页。二、转子绕组不平衡引起电磁振动

2.电机振动的精密诊断之一：利用数据采集器、计算机和专用诊断软件

第七十七页，共107页。二、转子绕组不平衡引起电磁振动

3.电机振动的精密诊断之二：利用测振和信号分析仪器作精密诊断

第七十八页，共107页。三、电动机轴承振动的诊断

实例分析第七十九页，共107页。三、电动机轴承振动的诊断

实例分析诊断对象是一台驱动离心式压缩机的异步电动机，容量3400kW，2极，转速2970r/min，电源频率为50Hz，结构上采用整体底板、座式滑动轴承。简易诊断时，发现轴承和定子振动较大，超过允许值，下面对该电动机进行精密诊断。第八十页，共107页。三、电动机轴承振动的诊断

实例分析图12-4-6实例1所示异步电动机振动诊断示意图

第八十一页，共107页。第四章电动机故障诊断第八十二页，共107页。一、电动机常见异常（故障）第八十三页，共107页。1.电动机温升过高第八十四页，共107页。1.电动机温升过高第八十五页，共107页。2.三相电流不平衡原因：三相电源电压不平衡匝间短路绕组断路(或并联支路中一条或几条支路断路)定子绕组部分线圈接反三相匝数不相等第八十六页，共107页。3.空载电流偏大原因：电源电压偏高定子Y接误接成△接转子装错(极数少的转子装进了极数多的定子内)转子直径变小了，气隙偏大铁心导磁性能差定、转子铁心错位，铁心有效长度减小定子绕组每圈匝数绕错(少)线圈节距嵌错绕组的线圈组接反应串联的线圈组错接成了并联轴承损坏转轴弯造成定、转子相擦风扇装错(如2极电机装上了4、6极电机风扇)第八十七页，共107页。二、定子绕组故障精密诊断第八十八页，共107页。实例.基于三相电流之间的相位差的诊断1.