電氣設(shè)備故障診斷

1、電氣設(shè)備故障診斷第三講：各類故障的特征量（第三講：各類故障的特征量（1.電量）電量） 序：序：故障診斷的任務(wù)故障診斷的任務(wù) 故障定義為“設(shè)備在它應(yīng)達(dá)到的功能上喪失了能力”。故障包括：使設(shè)備立刻喪失其功能的破壞性故障；降低設(shè)備功能的但沒有完全喪失功能的功能性故障；人為的誤操作停車故障。產(chǎn)生故障的原因有人為誤操作、由正常磨損或疲勞使機(jī)械設(shè)備達(dá)到其自然壽命、非正常因素以及環(huán)境影響等多方面的因素。 診斷技術(shù)的任務(wù)是“識別現(xiàn)狀、預(yù)測未來”。 發(fā)現(xiàn)破壞性的故障，這種信號一般稱之為故障信號；預(yù)防功能性故障的發(fā)展，這時采集的是異常信號，它是設(shè)備部分缺陷的外在反應(yīng)（現(xiàn)狀）。 故障信號和異常信號都是有用的狀態(tài)量。

2、 (1)初期故障率。設(shè)備剛投入運行時，初期故障率較高，原因是設(shè)備剛投入運行，必然會暴露一些制造、安裝、調(diào)試中遺留的問題，而且設(shè)備剛投入運行，操作和維護(hù)都有一個適應(yīng)過程。隨隨著對設(shè)備性能的逐步熟悉和暴露的問題的解決，故障率就逐漸降低。(2)穩(wěn)定期的故障率。設(shè)備在進(jìn)入穩(wěn)定期后，故障率較低，而且很穩(wěn)定，這段時間設(shè)備運行較正常，一般只有個別突發(fā)性的故障出現(xiàn)。(3)劣化期的故障率。隨著服役時間的推移，設(shè)備逐步進(jìn)入劣化期，劣化現(xiàn)象逐漸顯著。以電機(jī)為例，在服役1520年之后，絕緣老化征象明顯，如泄漏電流增加、絕緣電阻下降、局部放電增加等等。在這一時期，由于劣化趨勢發(fā)展，設(shè)備故障率又逐步升高，終于進(jìn)入到危險水

3、平，如在此時不采取措施進(jìn)行維修，則設(shè)備最終將因故障而導(dǎo)致破壞和失效。設(shè)備狀態(tài)量及監(jiān)測技術(shù)設(shè)備狀態(tài)量及監(jiān)測技術(shù) 狀態(tài)量是設(shè)備運行中出現(xiàn)的各種正常和異常特征信號量的總稱。設(shè)備狀態(tài)量可以分為運行狀態(tài)量和生產(chǎn)過程狀態(tài)量。 1. 運行狀態(tài)量 設(shè)備運行中會經(jīng)常發(fā)出聲音、振動、溫度等多種信號。這些信號可以被感覺或測量出來。 與設(shè)備運行狀態(tài)相對應(yīng)的有正常信號和異常信號，采集并識別這些信號，經(jīng)過分析可以識別和判斷出設(shè)備的缺陷和故障。 機(jī)械量信號 與生產(chǎn)功能無直接關(guān)系的信號，如振動、聲音、軸承溫度等； 與生產(chǎn)功能有直接關(guān)系的信號，如汽輪機(jī)的汽壓、汽穩(wěn)、轉(zhuǎn)速等。 電磁信號有電壓、電流、頻率、局部放電電荷、磁場強(qiáng)度等

4、。 化學(xué)信號如絕緣油含烴量、潤滑油酸階等。2.生產(chǎn)過程狀態(tài)量 生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)是相互聯(lián)系的。在正常運行時，各生產(chǎn)過程參數(shù)（輸入、輸出等）呈一定的比例關(guān)系。 各項參數(shù)間比例失調(diào)，就表示設(shè)備內(nèi)部存在有缺陷 3. 狀態(tài)量的采集方法 檢查感官直接（看，聽，嗅，嘗，觸），能檢測出定性的模糊量 測量分為運行中的在線測量和停機(jī)中的離線測量（可測、有量） 檢測主要指對停機(jī)或維修解體中設(shè)備的檢查與測量 監(jiān)測在運行中，對設(shè)備的某些狀態(tài)量的定期或連續(xù)的測量通常監(jiān)測的狀態(tài)量參數(shù) 監(jiān)測輸入量輸入量泛指作用于設(shè)備、推動設(shè)備運行和導(dǎo)致設(shè)備劣化的各種輸入量。輸入量監(jiān)測的目的在于查明異?；蚬收系膩碓?，同時根據(jù)實際情況，進(jìn)一步

5、推測設(shè)備的運行可靠性和使用壽命。 輸入量有許多種類，如機(jī)械力（拉力、壓力、扭力、疲勞應(yīng)力等）、化學(xué)作用、電或磁力的作用力等等。 監(jiān)測運行狀態(tài)量設(shè)備發(fā)出運行狀態(tài)量有主動和被動兩種方式。主動發(fā)出的信號：主要是具有轉(zhuǎn)動部件的設(shè)備，在運行中常會發(fā)出振動、熱量或聲音、光等信號，統(tǒng)稱為一次信號。被動發(fā)出的信號：主要針對靜止的設(shè)備或沒有運動部件的設(shè)備，必須采取預(yù)加一定量的輸入，迫使設(shè)備發(fā)出信號（即二次信號），借以診斷設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)。取得二次信號的方法有：外部刺激法、照射法、涂敷料法。 監(jiān)測輸出量確定設(shè)備的功能指標(biāo) 診斷的常用技術(shù) 電流分析法監(jiān)測負(fù)載電流幅值、波形并進(jìn)行頻譜分析，可診斷出電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組斷條、氣

6、隙偏心、定子繞組故障、轉(zhuǎn)子不平衡等缺陷；電流頻譜分析是診斷和監(jiān)測交流電機(jī)故障的有效方法，它可以診斷交流電機(jī)籠型繞組的斷條、靜態(tài)氣隙偏心、動態(tài)氣隙偏心、機(jī)械不平衡等故障。振動診斷對振動信號進(jìn)行信號處理和分析；絕緣診斷利用各種電氣試驗和特殊診斷方法，對設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)、工作性能和是否存在缺陷做出判斷，并對絕緣剩余壽命作出預(yù)測；溫度診斷對設(shè)備各部分溫度進(jìn)行檢測或紅外測試振聲診斷對診斷的對象同時采集振動信號和噪聲信號 輸入輸入/輸出的電量輸出的電量 變電設(shè)備變壓器、電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)、耦合電容器、避雷器等。 電機(jī)主要指發(fā)電機(jī)和高壓電動機(jī)。 避雷器：工作電壓下流過避雷器的電流及其變化

7、電磁式電壓互感器：工作電壓下的勵磁電流及其變化耦合電容器：工作電壓下流過絕緣的電流I0及工作電壓下的噪音干擾三相電容型設(shè)備：工作電壓下每相流過絕緣的電流I0和三相選頻電壓U0值電力變壓器及電機(jī)：電壓、電流（空載勵磁電流、負(fù)載電流、不對稱電流等）、頻率、有功及無功功率等特殊電磁量特殊電磁量 軸電壓：運行時轉(zhuǎn)軸兩端的電位差。設(shè)計和正常運行的電機(jī)設(shè)備其值很小。當(dāng)電機(jī)設(shè)計、調(diào)整存在問題，電機(jī)出現(xiàn)故障的情況時，電機(jī)往往會出現(xiàn)較高的軸電壓，因此，對電機(jī)軸電壓的檢測和診斷能發(fā)現(xiàn)電機(jī)存在缺陷，并有助于監(jiān)視電機(jī)鐵心和繞組的劣化過程。同時，可以采取措施，避免軸電壓產(chǎn)生軸電流對軸承的損壞。軸電壓產(chǎn)生的原因通常有：磁

8、通脈動，通常由磁路不對稱或磁場畸變引起；單極效應(yīng)；電容電流等因素。軸電壓含有交流分量、直流分量和高頻分量，必須進(jìn)行頻譜分析。 軸電壓軸電壓 不對稱電流的出現(xiàn)可能原因有：三相負(fù)荷不對稱；發(fā)生不對稱故障； 軸電壓負(fù)序不對稱電流負(fù)序不對稱電流 電氣試驗是判斷電氣設(shè)備性能尤其是電氣性能的主要手段。對試驗結(jié)果的分析與判斷能發(fā)現(xiàn)可能存在的電氣故障隱患。 軸電壓負(fù)序不對稱電流 電氣試驗測量結(jié)電氣試驗測量結(jié)果果 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是發(fā)電機(jī)運行中的一種常見故障。嚴(yán)重時會影響發(fā)電機(jī)的無功出力；不對稱的匝間短路會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組振動加劇；可能進(jìn)一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣損壞，發(fā)展為接地故障。采用微分探測線圈，安裝在定轉(zhuǎn)子間

9、氣隙或固定于定子槽內(nèi)，由于探測線圈的感應(yīng)電勢正比于轉(zhuǎn)子各槽漏磁密波的微分，從感應(yīng)電勢波形圖可以判斷對應(yīng)各槽有無匝間短路。利用霍爾效應(yīng)制造的霍爾元件可以測量交流和直流磁場的磁通密度。 軸電壓負(fù)序不對稱電流 電氣試驗測量結(jié)果 感應(yīng)電勢的微分感應(yīng)電勢的微分探測（用于測量交探測（用于測量交變磁場）變磁場） 例：發(fā)電機(jī)軸電壓的測量600MW發(fā)電機(jī)軸電壓發(fā)電機(jī)軸電壓的測量的測量發(fā)電機(jī)冷卻方式為水氫氫，即定子線圈采用水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子線圈采用氫內(nèi)冷，定子鐵芯及其它結(jié)構(gòu)件采用氫氣表面冷卻。 為了防止軸電壓，在勵磁端的軸承環(huán)和用來阻止氫泄漏的油密封裝置處，利用聚脂玻璃疊片做成絕緣板，絕緣板有絕緣電阻測量引線引出機(jī)外，

10、為日后測量絕緣板好壞提供了方便 一試驗?zāi)康囊辉囼災(zāi)康?發(fā)電機(jī)組由于某些原因引起發(fā)電機(jī)組軸上產(chǎn)生了電壓，如果在安裝或運行中，沒有采取足夠的措施，當(dāng)軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜時，便發(fā)生放電，會使?jié)櫥鋮s的油質(zhì)逐漸劣化，嚴(yán)重者會使軸瓦燒壞，被迫停機(jī)造成事故。所以在安裝和運行中，測量檢查發(fā)電機(jī)組的軸及軸承間的電壓是十分必要的。二產(chǎn)生軸電壓的原因二產(chǎn)生軸電壓的原因 1.發(fā)電機(jī)磁通的不對稱 2.高速蒸汽產(chǎn)生的靜電 由于在發(fā)電機(jī)同軸的汽輪機(jī)軸封不好，沿軸的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸內(nèi)高速噴射等原因使軸帶電荷。這種性質(zhì)的軸電壓有時很高，當(dāng)人觸及時感到麻手，但它不易傳導(dǎo)至勵磁機(jī)側(cè)，在汽機(jī)側(cè)也有可能破壞油膜和軸

11、瓦，通常在汽機(jī)軸上接引接地炭刷來消除。U1：汽端軸對地電壓 U2：大軸電壓 U3：勵磁端對地電壓 U4：軸承絕緣板對大軸U5：軸承絕緣板對機(jī)座 U6：油密封裝置絕緣板對大軸電壓 U7：油密封裝置絕緣板對機(jī)座電壓 在20MW(發(fā)電機(jī)電壓20.3KV,無功0MVAR,勵磁電壓150DC,勵磁電流1700A)和605MW(發(fā)電機(jī)電壓20.3KV,無功100MVAR,勵磁電壓316DC,勵磁電流3532A)負(fù)荷下用Fluke87分別測量以上電壓 U1U2U3U4U5U6U720MW57mv12.46v12.20v7.3v5.39v6.5v6.06v605MW64.2mv14.42v14.38v9.33

12、v5.63v9.4v5.12vU2=U3=U4+U5，絕緣良好，絕緣良好 局部放電局部放電 局部放電是發(fā)生在電極之間不完全連同的放電。局部放電來源于設(shè)備絕緣的局部缺陷，例如固體絕緣的空隙、液體絕緣的氣泡與雜質(zhì)；不同絕緣層之間配合失調(diào)；絕緣體或?qū)w的棱角、毛刺，導(dǎo)體間存在接觸不良的部位等，在外加電壓的作用下產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。這種放電反應(yīng)過程會產(chǎn)生帶電離子相互碰撞，同時也沖擊到絕緣介質(zhì)引起絕緣材料出現(xiàn)白痕或樹枝狀放電痕跡。 局部放電能促使絕緣油的分解，使絕緣性能降低，當(dāng)進(jìn)一步降低時就會產(chǎn)生絕緣擊穿現(xiàn)象。局部放電反應(yīng)了絕緣或?qū)w間的電氣性能的缺陷，可作為識別故障的有效的特征量。 局部放電裝置應(yīng)到達(dá)以下

13、要求。1.監(jiān)測有害的局部放電2.鑒別發(fā)生放電的類型3.診斷電氣設(shè)備絕緣老化或缺陷狀態(tài)變壓器局部放電示意發(fā)電機(jī)局部放電示例在實驗室條件下，采用高壓電機(jī)定子線圈為試樣采用高壓電機(jī)定子線圈為試樣，模擬了大型發(fā)電機(jī)中常見的典型放電：大型發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣內(nèi)部放電；主絕緣與鐵心之間的槽放電；繞組端部防暈層不良造成的放電，以及由于繞組定、轉(zhuǎn)子漏水、滲油使端部絕緣受潮和污染產(chǎn)生的端部放電等。圖1、圖2、圖3給出了采用寬頻局部放電監(jiān)測系統(tǒng)采集到這幾種放電的時域波形。內(nèi)部放電波形 端部放電波形 電暈放電波形發(fā)電機(jī)局部放電示例對秦嶺發(fā)電廠某機(jī)組進(jìn)行了放電監(jiān)測對秦嶺發(fā)電廠某機(jī)組進(jìn)行了放電監(jiān)測從監(jiān)測結(jié)果可以看出，電機(jī)

14、內(nèi)部存在較大的干擾，干擾信號的幅度比放電信號大上百倍?，F(xiàn)場采集到放電信號的時域及頻域波形。可見，信號的主要頻率分量在低頻1MHz以下。采用30階FIR的RLS自適應(yīng)濾波器進(jìn)行數(shù)字信號處理，該濾波器的噪聲抑制率為40db。發(fā)電機(jī)局部放電示例對秦嶺發(fā)電廠某機(jī)組進(jìn)行了放電監(jiān)測對秦嶺發(fā)電廠某機(jī)組進(jìn)行了放電監(jiān)測從監(jiān)測結(jié)果可以看出，電機(jī)內(nèi)部存在較大的干擾，干擾信號的幅度比放電信號大上百倍。自適應(yīng)濾波器消除干擾后得到放電波形的分析結(jié)果采用自適應(yīng)濾波器消除干擾后，在整個頻域上信號的各個頻率分量幅值相當(dāng)且幅值較小，說明無危害性放電存在。轉(zhuǎn)子斷條的簡單分析直接起動的交流電機(jī)起動電流大（5-7Ie），在很短的起動過

15、程中，籠型繞組或阻尼繞組承受很高的熱引力和機(jī)械應(yīng)力，致使籠條或?qū)l和端環(huán)在很高的應(yīng)力下疲勞斷裂。直接起動的大電流還會在繞組端部產(chǎn)生很大的電動力，使發(fā)生變形和產(chǎn)生振動，造成絕緣的機(jī)械損傷和磨損。在冷卻效果較差時，起動電流產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，當(dāng)在重載或頻繁起動情況下，籠條、端環(huán)焊接處是經(jīng)常發(fā)生開焊和斷裂的部位。轉(zhuǎn)子斷條的發(fā)生發(fā)展過程轉(zhuǎn)子斷條的發(fā)生發(fā)展過程：1. 在即將斷裂的部位經(jīng)常出現(xiàn)過熱、很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力；2. 達(dá)到疲勞極限時，籠條斷裂，并產(chǎn)生電弧；3. 在連續(xù)起動時，相鄰的籠條通過更大的電流，并將承受更大的機(jī)械和熱應(yīng)力；4. 造成更多籠條斷裂，故障擴(kuò)大，產(chǎn)生較大的單邊磁拉力，使電機(jī)產(chǎn)生振動、噪聲、定子電流擺動