高压电力设备在线监测技术 第9章 电机在线监测与诊断.ppt

1、第九章 电机在线监测与故障诊断,On-line monitoring and fault diagnosis for Motor,1,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,2,3,9.1.1 背景,4,全美电机系统消耗了19%的总能源，57%的电力能源； 在制造业，电机消耗了70%以上的电能； 在过程工业，电机消耗的电能占全厂90%以上。,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3.

2、1%，电机寿命降低1.2%，常规消耗2.1% 。,EPRI的报告,9.1.1 背景,5,根据 EPRI的报告： 电机故障的 53%源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等； 47%源于电气原因； 这其中，10%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。,电机故障源于何处？,9.1.1 背景,6,引起故障的外在因素,9.1.1 背景,为什么要状态监测？ Why condition monitoring?,一个新的资产管理的平台! 提高生产能力 Increased production pace 运行在收支平衡之上 Ongoing “cost shavings” 生产中断

3、不可容忍 Production disruptions are economically intolerable 世界级的生产运营需要可靠性维护 World Class Performance requires reliable production,管理者策略Management Strategies,Utilizing existing machinery 合理利用现有设备 (New machines or existing? 购置新设备还是利用现有设备) Increase Speed 增加生产速度 Improve Quality 提高质量 Increase Availability 增加

4、有效生产时间 Lower the costs 降低成本(Energy, raw material, personell costs, etc.),当前状况 Todays Situation,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 维修费用占企业生产总成本的 4%到14% 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,冰山一角潜在的危机 The hidden possibility,杜邦模式 The Du Pont model,Profit 利润,Contribution margin 毛利,Revenue 总产值,Direct costs 直接成

5、本,Common costs 常规消耗,Total assets 总投资,Current assets 流动资金,Fixed assets 固定资产,Rate of return 投资回报率,+,%,状态监测的成效 Impact of Condition Based Maintenance,利润,毛利,总产值,直接成本 能耗 实验费用 安全成本 工作环境改善 环保要求,常规消耗 维修与维护 人员工资 实验 等等,总投资,流动资金,固定资产,投资回报率,+,%,总预期产值 Potential revenue,OPE 生产损失 时间损失 质量损失 速度损失,优化运营 Optimizing perf

6、ormance. Measure - compare - improve,0.003,World Class Performance. 现代管理战略 Modern management strategy,OPE. 总运营有效率 Overall Performance Effectiveness,Max. Prod.,速度损失,质量损失,不可得时间,OPE,生产时间,有效生产速度,World Class Performance 85%.,生产损失 Loss of contribution. Overall Performance Effectiveness,100 h 90 h,A = 0.9

7、(时间因子),90 ton/h 81 ton/h,P = 0.9 (速度因子),81 ton 73 ton,Q = 0.9 (品质因子),OPE = 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.73 x 100% = 73%,有效生产时间,有效产品质量,如何实现 WCP什么最重要？What is most important?,做正确的事 To do the correct thing 把事做正确 To do things correct,RCM战略 Strategy for RCM,清洁与润滑 Cleaning and lubrication 设备改造 Design out 2) 提高运行寿命

8、Increase lifetime 状态监测 日常维护保养 CM- normal operation 状态监测 有计划的停机 CM - planned stop 5) 定期维修 Time based 6) 备用策略 Redundance 7) 事后维修 Corrective,泵 (101 ),电机 (83),风机 (26),53 +/- 15,94 +/- 24,113 +/- 60,Variation with confidence level of 95%.,预警时间 Prewarning time.,Machines ( no. of incidents),Days,1）阻抗不平衡导致的

9、电机效率的降低,电机运行的可靠性分析,2）阻抗不平衡导致功率因数的降低,3）阻抗不平衡导致电机损耗,4）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,24,机械故障 轴承 轴/轴承座 振动 测试方法 振动 红外 超声,电机,电气故障 绕组短路 绝缘不良 污染 转子故障 气隙 测试方法 振动 绝缘测试 耐压、冲击试验 欧姆表 电流/电压表 超声 红外,电机,耦合(对轮或皮带),故障 不对中/不对正 带/键 磨损 张力不当 皮带轮磨损 测试方法 振动 红外,负载 (风机, 泵, 压缩机, 齿轮箱, 等),负载故障 部件疲劳 (例如: 密封) 部件失效 (齿轮, 叶片等) 轴承失效 测试

10、方法 振动 红外 超声,28,29,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！,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 电桥可以检测到匝间短路错误！ 认为三相平衡是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！ 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

11、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,电阻 R 电感 L 电容 C 感抗 XL= L 容抗 XC= 1 / (C) 阻抗 Z2= R2+(XL - XC)2 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： 铸件缺陷 气隙不均衡 偏心 断条断环,定子绕组故障 匝间、线间(层间)、相间短路； 绝缘缺陷(磁通集中至缺陷点),36,例：三相平衡,三相电机 460V、60Hz、10H

12、P，满负荷14A,线间阻抗：,ZAB =VAB / IAB 32.945 = 650.5120V /19.875A,37,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

13、 +/- 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,47,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F

14、i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,300 kW, 3600 RPM 连续多次发生轴承失效 负载电流分析发现非标准信号 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,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 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

15、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,57,时域分析,58,9.2 放电的监测,局放量的定位技术 如何区分局放源 局放在线监测技术,59,9.2.1 局部放电源的识别,频域分析 - 人工缺陷 - 绕组劣化 局放图谱 - 极性 - 局放间隔，相位角,试验方法,需要更多的图谱分析技术 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,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

16、 局部放电源的识别,脉冲信号的传播特性 - 校准信号 - 高压下的局部放电信号 传播局放信号测量方法 - 频域分析 - 波形,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 局放传播的复杂行为 很难解释绕组端部效应,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,脉冲传播,传播波形,水力发电机 - PDA : 在线监测 - PDM : 连续监控仪 火力发电机 - TGA :在线监测 - GODS :连续监控 高压电动机 - HVMMS : 远程连续监控,9.2.2 局部放电监测技术,噪声抑制技术 - 滤波器 - 时间窗 - 传播选频特性 - 图

17、谱分析 传感器 - 经济的，便于安装 - 固定的:温度，局放,频率范围 - 1 MHz 100 MHz 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,一种新型局放监测传感器,极性鉴别 差分 放大,on-line sensor,on-line sensor,on-line sensor,定子绕组,A,B,C,内置的在线监测系统,电动机,频率响应 : 高于10 MHz,安装在楔子表面,局放传感器,经过滤波器 (30 MHz-80 MHz 带通滤波) 和噪声抑制的结果,Response to PD,Response to PWM,10 m V/div, 500 n

18、sec/div,500 m V/div, 2 sec/div,PWM + PD,10 m V/div, 200 n sec/div,100 m V/div, 200 n sec/div,倒相反馈电机的局放监测,时延 微秒,时延 纳 秒,局放定位技术,葛洲坝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

19、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。,2006-04-06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

20、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

21、。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

22、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 。,93,9.4 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,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。 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。 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) 在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。 共振有时可能受不平衡的影响较大。 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，也还会出现不平衡振动，动平衡还是可明显减小松动引起的振动。但是，往往无法平衡有松动的转子。,97,9.7 轴线不