电气设备故障诊断第三讲各类故障特性量电量

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1、电气设备故障诊断第三讲：各类故障特性量电量序：序：故障诊断的任务故障诊断的任务 故障定义为“设备在它应达到的功能上丧失了能力”。故障包括：使设备立刻丧失其功能的破坏性故障；降低设备功能的但没有完全丧失功能的功能性故障；人为的误操作停车故障。产生故障的原因有人为误操作、由正常磨损或疲劳使机械设备达到其自然寿命、非正常因素以及环境影响等多方面的因素。诊断技术的任务是“识别现状、预测未来”。发现破坏性的故障，这种信号一般称之为故障信号；预防功能性故障的发展，这时采集的是异常信号，它是设备部分缺陷的外在反应（现状）。故障信号和异常信号都是有用的状态量。(1)初期故障率。设备刚投入运行时，初期故障率较高

2、，原因是设备刚投入运行，必然会暴露一些制造、安装、调试中遗留的问题，而且设备刚投入运行，操作和维护都有一个适应过程。随随着对设备性能的逐步熟悉和暴露的问题的解决，故障率就逐渐降低。(2)稳定期的故障率。设备在进入稳定期后，故障率较低，而且很稳定，这段时间设备运行较正常，一般只有个别突发性的故障出现。(3)劣化期的故障率。随着服役时间的推移，设备逐步进入劣化期，劣化现象逐渐显著。以电机为例，在服役1520年之后，绝缘老化征象明显，如泄漏电流增加、绝缘电阻下降、局部放电增加等等。在这一时期，由于劣化趋势发展，设备故障率又逐步升高，终于进入到危险水平，如在此时不采取措施进行维修，则设备最终将因故障而

3、导致破坏和失效。设备状态量及监测技术设备状态量及监测技术 状态量是设备运行中出现的各种正常和异常特征信号量的总称。设备状态量可以分为运行状态量和生产过程状态量。1.运行状态量 设备运行中会经常发出声音、振动、温度等多种信号。这些信号可以被感觉或测量出来。与设备运行状态相对应的有正常信号和异常信号，采集并识别这些信号，经过分析可以识别和判断出设备的缺陷和故障。机械量信号 与生产功能无直接关系的信号，如振动、声音、轴承温度等；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。电磁信号有电压、电流、频率、局部放电电荷、磁场强度等。化学信号如绝缘油含烃量、润滑油酸阶等。2.生产过程状态量 生产

4、过程的各个环节是相互联系的。在正常运行时，各生产过程参数（输入、输出等）呈一定的比例关系。各项参数间比例失调，就表示设备内部存在有缺陷 3.状态量的采集方法 检查感官直接（看，听，嗅，尝，触），能检测出定性的模糊量 测量分为运行中的在线测量和停机中的离线测量（可测、有量）检测主要指对停机或维修解体中设备的检查与测量 监测在运行中，对设备的某些状态量的定期或连续的测量通常监测的状态量参数 监测输入量输入量泛指作用于设备、推动设备运行和导致设备劣化的各种输入量。输入量监测的目的在于查明异常或故障的来源，同时根据实际情况，进一步推测设备的运行可靠性和使用寿命。输入量有许多种类，如机械力（拉力、压力、

5、扭力、疲劳应力等）、化学作用、电或磁力的作用力等等。监测运行状态量设备发出运行状态量有主动和被动两种方式。主动发出的信号：主要是具有转动部件的设备，在运行中常会发出振动、热量或声音、光等信号，统称为一次信号。被动发出的信号：主要针对静止的设备或没有运动部件的设备，必须采取预加一定量的输入，迫使设备发出信号（即二次信号），借以诊断设备的内部状态。取得二次信号的方法有：外部刺激法、照射法、涂敷料法。监测输出量确定设备的功能指标 诊断的常用技术 电流分析法监测负载电流幅值、波形并进行频谱分析，可诊断出电机的转子绕组断条、气隙偏心、定子绕组故障、转子不平衡等缺陷；电流频谱分析是诊断和监测交流电机故障的

6、有效方法，它可以诊断交流电机笼型绕组的断条、静态气隙偏心、动态气隙偏心、机械不平衡等故障。振动诊断对振动信号进行信号处理和分析；绝缘诊断利用各种电气试验和特殊诊断方法，对设备的绝缘结构、工作性能和是否存在缺陷做出判断，并对绝缘剩余寿命作出预测；温度诊断对设备各部分温度进行检测或红外测试振声诊断对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号 输入输入/输出的电量输出的电量 变电设备变压器、电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、耦合电容器、避雷器等。电机主要指发电机和高压电动机。避雷器：工作电压下流过避雷器的电流及其变化电磁式电压互感器：工作电压下的励磁电流及其变化耦合电容器：工作电压下流过绝缘的电流

7、I0及工作电压下的噪音干扰三相电容型设备：工作电压下每相流过绝缘的电流I0和三相选频电压U0值电力变压器及电机：电压、电流（空载励磁电流、负载电流、不对称电流等）、频率、有功及无功功率等特殊电磁量特殊电磁量 轴电压：运行时转轴两端的电位差。设计和正常运行的电机设备其值很小。当电机设计、调整存在问题，电机出现故障的情况时，电机往往会出现较高的轴电压，因此，对电机轴电压的检测和诊断能发现电机存在缺陷，并有助于监视电机铁心和绕组的劣化过程。同时，可以采取措施，避免轴电压产生轴电流对轴承的损坏。轴电压产生的原因通常有：磁通脉动，通常由磁路不对称或磁场畸变引起；单极效应；电容电流等因素。轴电压含有交流分

8、量、直流分量和高频分量，必须进行频谱分析。轴电压轴电压 不对称电流的出现可能原因有：三相负荷不对称；发生不对称故障；轴电压负序不对称电流负序不对称电流 电气试验是判断电气设备性能尤其是电气性能的主要手段。对试验结果的分析与判断能发现可能存在的电气故障隐患。轴电压负序不对称电流 电气试验测量结电气试验测量结果果 转子绕组匝间短路是发电机运行中的一种常见故障。严重时会影响发电机的无功出力；不对称的匝间短路会导致发电机组振动加剧；可能进一步导致转子绕组对地绝缘损坏，发展为接地故障。采用微分探测线圈，安装在定转子间气隙或固定于定子槽内，由于探测线圈的感应电势正比于转子各槽漏磁密波的微分，从感应电势波形

9、图可以判断对应各槽有无匝间短路。利用霍尔效应制造的霍尔元件可以测量交流和直流磁场的磁通密度。轴电压负序不对称电流 电气试验测量结果 感应电势的微分感应电势的微分探测（用于测量交探测（用于测量交变磁场）变磁场）例：发电机轴电压的测量600MW发电机轴电压的测量发电机轴电压的测量发电机冷却方式为水氢氢，即定子线圈采用水内冷，转子线圈采用氢内冷，定子铁芯及其它结构件采用氢气表面冷却。为了防止轴电压，在励磁端的轴承环和用来阻止氢泄漏的油密封装置处，利用聚脂玻璃叠片做成绝缘板，绝缘板有绝缘电阻测量引线引出机外，为日后测量绝缘板好坏提供了方便 一一试验目的试验目的 发电机组由于某些原因引起发电机组轴上产生

10、了电压，如果在安装或运行中，没有采取足够的措施，当轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜时，便发生放电，会使润滑冷却的油质逐渐劣化，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。所以在安装和运行中，测量检查发电机组的轴及轴承间的电压是十分必要的。二二产生轴电压的原因产生轴电压的原因 1.发电机磁通的不对称 2.高速蒸汽产生的静电 由于在发电机同轴的汽轮机轴封不好，沿轴的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸内高速喷射等原因使轴带电荷。这种性质的轴电压有时很高，当人触及时感到麻手，但它不易传导至励磁机侧，在汽机侧也有可能破坏油膜和轴瓦，通常在汽机轴上接引接地炭刷来消除。U1：汽端轴对地电压 U2：大轴电压 U3：励磁端对地电

11、压 U4：轴承绝缘板对大轴U5：轴承绝缘板对机座 U6：油密封装置绝缘板对大轴电压 U7：油密封装置绝缘板对机座电压 在20MW(发电机电压20.3KV,无功0MVAR,励磁电压150DC,励磁电流1700A)和605MW(发电机电压20.3KV,无功100MVAR,励磁电压316DC,励磁电流3532A)负荷下用Fluke87分别测量以上电压 U1U2U3U4U5U6U720MW57mv12.46v12.20v7.3v5.39v6.5v6.06v605MW64.2mv14.42v14.38v9.33v5.63v9.4v5.12vU2=U3=U4+U5，绝缘良好，绝缘良好 局部放电局部放电 局

12、部放电是发生在电极之间不完全连同的放电。局部放电来源于设备绝缘的局部缺陷，例如固体绝缘的空隙、液体绝缘的气泡与杂质；不同绝缘层之间配合失调；绝缘体或导体的棱角、毛刺，导体间存在接触不良的部位等，在外加电压的作用下产生的放电现象。这种放电反应过程会产生带电离子相互碰撞，同时也冲击到绝缘介质引起绝缘材料出现白痕或树枝状放电痕迹。局部放电能促使绝缘油的分解，使绝缘性能降低，当进一步降低时就会产生绝缘击穿现象。局部放电反应了绝缘或导体间的电气性能的缺陷，可作为识别故障的有效的特征量。局部放电装置应到达以下要求。监测有害的局部放电鉴别发生放电的类型1.诊断电气设备绝缘老化或缺陷状态变压器局部放电示意发电

13、机局部放电示例在实验室条件下，采用高压电机定子线圈为试样采用高压电机定子线圈为试样，模拟了大型发电机中常见的典型放电：大型发电机定子线圈绝缘内部放电；主绝缘与铁心之间的槽放电；绕组端部防晕层不良造成的放电，以及由于绕组定、转子漏水、渗油使端部绝缘受潮和污染产生的端部放电等。图1、图2、图3给出了采用宽频局部放电监测系统采集到这几种放电的时域波形。内部放电波形 端部放电波形 电晕放电波形发电机局部放电示例对秦岭发电厂某机组进行了放电监测对秦岭发电厂某机组进行了放电监测从监测结果可以看出，电机内部存在较大的干扰，干扰信号的幅度比放电信号大上百倍。现场采集到放电信号的时域及频域波形。可见，信号的主要

14、频率分量在低频1MHz以下。采用30阶FIR的RLS自适应滤波器进行数字信号处理，该滤波器的噪声抑制率为40db。发电机局部放电示例对秦岭发电厂某机组进行了放电监测对秦岭发电厂某机组进行了放电监测从监测结果可以看出，电机内部存在较大的干扰，干扰信号的幅度比放电信号大上百倍。自适应滤波器消除干扰后得到放电波形的分析结果采用自适应滤波器消除干扰后，在整个频域上信号的各个频率分量幅值相当且幅值较小，说明无危害性放电存在。转子断条的简单分析直接起动的交流电机起动电流大（5-7Ie），在很短的起动过程中，笼型绕组或阻尼绕组承受很高的热引力和机械应力，致使笼条或导条和端环在很高的应力下疲劳断裂。直接起动的

15、大电流还会在绕组端部产生很大的电动力，使发生变形和产生振动，造成绝缘的机械损伤和磨损。在冷却效果较差时，起动电流产生的热应力较大，当在重载或频繁起动情况下，笼条、端环焊接处是经常发生开焊和断裂的部位。转子断条的发生发展过程转子断条的发生发展过程：在即将断裂的部位经常出现过热、很高的热应力和机械应力；达到疲劳极限时，笼条断裂，并产生电弧；在连续起动时，相邻的笼条通过更大的电流，并将承受更大的机械和热应力；1.造成更多笼条断裂，故障扩大，产生较大的单边磁拉力，使电机产生振动、噪声、定子电流摆动和温升增加、转速波动。定子电流检测诊断断条的原理理论上，定子电流的频率是单一的，即电源频率。当转子回路出现故障时，定子电流频谱图 上，在与电源频率相差2倍转差频率2sf的位置上将各产生一个旁频带，由于其调制作用，定子电流将产生节拍性变化，电流周期性的脉动将使电流指针发生摆动，转矩也随之脉动，转子转速也同样波动。边频电流的幅值与基波比值大小，与转子断条程度有明显的直接的关系。特征：边频分量随负载增加而增加边频分量随负载增加而增加随故障程度加重而加重。随故障程度加重而加重。