高壓電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù) 第9章 電機(jī)在線監(jiān)測(cè)與診斷.ppt

1、第九章 電機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷,On-line monitoring and fault diagnosis for Motor,1,本章內(nèi)容,電機(jī)的故障特點(diǎn)與診斷內(nèi)容 放電的監(jiān)測(cè) 微粒的監(jiān)測(cè) 振動(dòng)的監(jiān)測(cè) 溫度的監(jiān)測(cè) 發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度監(jiān)測(cè) 發(fā)電機(jī)氣隙間距的在線監(jiān)測(cè) 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷火花監(jiān)測(cè) 發(fā)電機(jī)的軸電壓監(jiān)測(cè) 轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻和平均溫度監(jiān)測(cè) 電機(jī)壽命的預(yù)測(cè),2,3,9.1.1 背景,4,全美電機(jī)系統(tǒng)消耗了19%的總能源，57%的電力能源； 在制造業(yè)，電機(jī)消耗了70%以上的電能； 在過(guò)程工業(yè)，電機(jī)消耗的電能占全廠90%以上。,每年度成本核算中，附加消耗分布為停產(chǎn)損失93.6%，附加能量消耗3.

2、1%，電機(jī)壽命降低1.2%，常規(guī)消耗2.1% 。,EPRI的報(bào)告,9.1.1 背景,5,根據(jù) EPRI的報(bào)告： 電機(jī)故障的 53%源于機(jī)械原因，如軸承故障、不平衡、松動(dòng)等； 47%源于電氣原因； 這其中，10%源于轉(zhuǎn)子，如鑄件缺陷導(dǎo)致的不平衡氣隙、斷條等； 37%源于定子繞組。,電機(jī)故障源于何處？,9.1.1 背景,6,引起故障的外在因素,9.1.1 背景,為什么要狀態(tài)監(jiān)測(cè)？ Why condition monitoring?,一個(gè)新的資產(chǎn)管理的平臺(tái)! 提高生產(chǎn)能力 Increased production pace 運(yùn)行在收支平衡之上 Ongoing “cost shavings” 生產(chǎn)中斷

3、不可容忍 Production disruptions are economically intolerable 世界級(jí)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)需要可靠性維護(hù) World Class Performance requires reliable production,管理者策略Management Strategies,Utilizing existing machinery 合理利用現(xiàn)有設(shè)備 (New machines or existing? 購(gòu)置新設(shè)備還是利用現(xiàn)有設(shè)備) Increase Speed 增加生產(chǎn)速度 Improve Quality 提高質(zhì)量 Increase Availability 增加

4、有效生產(chǎn)時(shí)間 Lower the costs 降低成本(Energy, raw material, personell costs, etc.),當(dāng)前狀況 Todays Situation,維修部門(mén)從單純的維修，逐漸轉(zhuǎn)變成為確保企業(yè)生產(chǎn)能力的高級(jí)職能單元 維修費(fèi)用占企業(yè)生產(chǎn)總成本的 4%到14% 維修費(fèi)用所占比例大于企業(yè)利潤(rùn)率 故障停機(jī)異常昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)維修費(fèi)用,冰山一角潛在的危機(jī) The hidden possibility,杜邦模式 The Du Pont model,Profit 利潤(rùn),Contribution margin 毛利,Revenue 總產(chǎn)值,Direct costs 直接成

5、本,Common costs 常規(guī)消耗,Total assets 總投資,Current assets 流動(dòng)資金,Fixed assets 固定資產(chǎn),Rate of return 投資回報(bào)率,+,%,狀態(tài)監(jiān)測(cè)的成效 Impact of Condition Based Maintenance,利潤(rùn),毛利,總產(chǎn)值,直接成本 能耗 實(shí)驗(yàn)費(fèi)用 安全成本 工作環(huán)境改善 環(huán)保要求,常規(guī)消耗 維修與維護(hù) 人員工資 實(shí)驗(yàn) 等等,總投資,流動(dòng)資金,固定資產(chǎn),投資回報(bào)率,+,%,總預(yù)期產(chǎn)值 Potential revenue,OPE 生產(chǎn)損失 時(shí)間損失 質(zhì)量損失 速度損失,優(yōu)化運(yùn)營(yíng) Optimizing perf

6、ormance. Measure - compare - improve,0.003,World Class Performance. 現(xiàn)代管理戰(zhàn)略 Modern management strategy,OPE. 總運(yùn)營(yíng)有效率 Overall Performance Effectiveness,Max. Prod.,速度損失,質(zhì)量損失,不可得時(shí)間,OPE,生產(chǎn)時(shí)間,有效生產(chǎn)速度,World Class Performance 85%.,生產(chǎn)損失 Loss of contribution. Overall Performance Effectiveness,100 h 90 h,A = 0.9

7、(時(shí)間因子),90 ton/h 81 ton/h,P = 0.9 (速度因子),81 ton 73 ton,Q = 0.9 (品質(zhì)因子),OPE = 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.73 x 100% = 73%,有效生產(chǎn)時(shí)間,有效產(chǎn)品質(zhì)量,如何實(shí)現(xiàn) WCP什么最重要？What is most important?,做正確的事 To do the correct thing 把事做正確 To do things correct,RCM戰(zhàn)略 Strategy for RCM,清潔與潤(rùn)滑 Cleaning and lubrication 設(shè)備改造 Design out 2) 提高運(yùn)行壽命

8、Increase lifetime 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 日常維護(hù)保養(yǎng) CM- normal operation 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 有計(jì)劃的停機(jī) CM - planned stop 5) 定期維修 Time based 6) 備用策略 Redundance 7) 事后維修 Corrective,泵 (101 ),電機(jī) (83),風(fēng)機(jī) (26),53 +/- 15,94 +/- 24,113 +/- 60,Variation with confidence level of 95%.,預(yù)警時(shí)間 Prewarning time.,Machines ( no. of incidents),Days,1）阻抗不平衡導(dǎo)致的

9、電機(jī)效率的降低,電機(jī)運(yùn)行的可靠性分析,2）阻抗不平衡導(dǎo)致功率因數(shù)的降低,3）阻抗不平衡導(dǎo)致電機(jī)損耗,4）阻抗不平衡導(dǎo)致溫度上升,5）附加的溫升導(dǎo)致電機(jī)壽命的降低,24,機(jī)械故障 軸承 軸/軸承座 振動(dòng) 測(cè)試方法 振動(dòng) 紅外 超聲,電機(jī),電氣故障 繞組短路 絕緣不良 污染 轉(zhuǎn)子故障 氣隙 測(cè)試方法 振動(dòng) 絕緣測(cè)試 耐壓、沖擊試驗(yàn) 歐姆表 電流/電壓表 超聲 紅外,電機(jī),耦合(對(duì)輪或皮帶),故障 不對(duì)中/不對(duì)正 帶/鍵 磨損 張力不當(dāng) 皮帶輪磨損 測(cè)試方法 振動(dòng) 紅外,負(fù)載 (風(fēng)機(jī), 泵, 壓縮機(jī), 齒輪箱, 等),負(fù)載故障 部件疲勞 (例如: 密封) 部件失效 (齒輪, 葉片等) 軸承失效 測(cè)試

10、方法 振動(dòng) 紅外 超聲,28,29,常規(guī)診斷方法絕緣電阻測(cè)試,電機(jī)絕緣測(cè)試一直是電機(jī)檢測(cè)中重要一環(huán)，繞組對(duì)地絕緣的狀態(tài)決定了其在運(yùn)行狀態(tài)中的安全性，因此在投產(chǎn)前、檢修后，它是常規(guī)檢測(cè)中必不可少的測(cè)試項(xiàng)目。,30,常規(guī)診斷方法介質(zhì)吸收比與極化指數(shù),31,常規(guī)診斷方法高壓沖擊對(duì)比實(shí)驗(yàn),32,電機(jī)靜態(tài)診斷方法的誤區(qū)！,搖表就可解決問(wèn)題錯(cuò)誤！ 對(duì)地絕緣問(wèn)題僅占電機(jī)系統(tǒng)故障中5%以下 電橋可以檢測(cè)到匝間短路錯(cuò)誤！ 認(rèn)為三相平衡是電阻值的平衡是錯(cuò)誤的； 運(yùn)行中三相電流的平衡與否要看三相阻抗是否平衡； 匝間短路的發(fā)展與阻值的降低不成正比！ 使用匝間耐壓試驗(yàn)儀？ 破壞性試驗(yàn)； 波形復(fù)雜，難以分析； 有些匝間短

11、路的情況在波形上無(wú)反映； 設(shè)備笨重。,33,靜態(tài)電機(jī)電路分析技術(shù),交流電機(jī)等效電路分析,電阻 R 電感 L 電容 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：特殊設(shè)計(jì),定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置及定子繞組的設(shè)計(jì)； 定子的類(lèi)型：由于相對(duì)核心的磁路關(guān)系，疊繞型電感相間相等，而同軸型則存在少量的不平衡；,35,三相不平衡的原因之二：故障,轉(zhuǎn)子故障： 鑄件缺陷 氣隙不均衡 偏心 斷條斷環(huán),定子繞組故障 匝間、線間(層間)、相間短路； 絕緣缺陷(磁通集中至缺陷點(diǎn)),36,例：三相平衡,三相電機(jī) 460V、60Hz、10H

12、P，滿負(fù)荷14A,線間阻抗：,ZAB =VAB / IAB 32.945 = 650.5120V /19.875A,37,發(fā)生繞組短路，導(dǎo)致阻抗、相角不平衡：,產(chǎn)生三相電流不均衡：,38,繞組短路的監(jiān)測(cè)方法 I/F測(cè)試,I/F值標(biāo)志著繞組短路過(guò)程中，電感的失效程度,39,交流電機(jī)的靜態(tài)監(jiān)測(cè),40,電機(jī)靜態(tài)監(jiān)測(cè)的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn),以下評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是基于美國(guó)能源部 及 IEEE 15年的考核：,阻抗測(cè)試較直阻R的測(cè)試更精確，I/F用于評(píng)估故障源于定子還是轉(zhuǎn)子，且能夠診斷早期匝間短路等故障。,41,靜態(tài)監(jiān)測(cè) 快速故障診斷,42,靜態(tài)監(jiān)測(cè) 快速區(qū)分短路類(lèi)型,相角 與 I/F的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ： Fi 與 I/F

13、 +/- 2 同相、同繞組的匝間短路； Fi +/- 1, I/F 平衡 同相繞組中線圈間短路（層間短路）； Fi 平衡, I/F +/- 2 相間短路； 此結(jié)論與電機(jī)大小無(wú)關(guān) 電阻 +/- 5%,43,線間短路與相間短路,44,靜態(tài)監(jiān)測(cè) 快速區(qū)分定子 快速區(qū)分定子/ /轉(zhuǎn)子故障,IEEE Penrose定理,45,靜態(tài)監(jiān)測(cè) 轉(zhuǎn)子電磁特性評(píng)估,46,鑄造缺陷,畸變發(fā)生在側(cè)邊(上升或下降段)，導(dǎo)致少量二倍頻振動(dòng)； 畸變發(fā)生在波峰或波谷時(shí)(出現(xiàn)扁平帶)，降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。,IEEE Penrose定理,47,鑄造缺陷與斷條,48,斷條,49,實(shí)例：匝間短路,電阻、阻抗、電感都維持平衡，但I(xiàn)/F與F

14、i角有一定偏差，這種情況一般發(fā)生在具有大阻值繞組的小功率電機(jī)中的單匝短路。,50,實(shí)例： 300kW電機(jī)多次軸承失效,300 kW, 3600 RPM 連續(xù)多次發(fā)生軸承失效 負(fù)載電流分析發(fā)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 轉(zhuǎn)子電磁特性測(cè)試結(jié)果說(shuō)明存在鑄造缺陷，同時(shí)存在偏心，最大的可能是軸套定位偏差。,51,實(shí)例： 轉(zhuǎn)子斷條,振動(dòng)分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)根源； R、Fi、I/F均無(wú)大的偏差，而Z、L偏差很大； 轉(zhuǎn)子測(cè)試發(fā)現(xiàn)斷條。,52,監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,53,電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù),頻域分析,時(shí)域分析,54,頻域分析,從時(shí)域波形轉(zhuǎn)換成頻譜圖,55,頻譜分析法 每種故障有其對(duì)應(yīng)的特征頻率。 據(jù)此確定機(jī)器的故障性質(zhì)和嚴(yán)重程度。 趨勢(shì)分析

15、法、頻譜趨勢(shì)分析法 根據(jù)劣化曲線，振動(dòng)的通頻幅值(特征頻率幅值)隨故障的發(fā)展而增大。 據(jù)此監(jiān)視機(jī)器的健康狀態(tài)，并推測(cè)其壽命。,56,帶滾動(dòng)軸承的機(jī)械的頻譜特點(diǎn),57,時(shí)域分析,58,9.2 放電的監(jiān)測(cè),局放量的定位技術(shù) 如何區(qū)分局放源 局放在線監(jiān)測(cè)技術(shù),59,9.2.1 局部放電源的識(shí)別,頻域分析 - 人工缺陷 - 繞組劣化 局放圖譜 - 極性 - 局放間隔，相位角,試驗(yàn)方法,需要更多的圖譜分析技術(shù) 頻域分析需展開(kāi)進(jìn)一步研究 需考慮復(fù)雜模式的局放傳播規(guī)律,結(jié)論,9.2.1 局部放電源的識(shí)別,9.2.1 局部放電源的識(shí)別,繞組末端上的表面放電,9.2.1 局部放電源的識(shí)別,槽放電模擬,9.2.1

16、 局部放電源的識(shí)別,脈沖信號(hào)的傳播特性 - 校準(zhǔn)信號(hào) - 高壓下的局部放電信號(hào) 傳播局放信號(hào)測(cè)量方法 - 頻域分析 - 波形,試驗(yàn)方法,9.2.2 局部放電定位技術(shù),校準(zhǔn)信號(hào)傳播具有選頻特性 局放傳播的復(fù)雜行為 很難解釋繞組端部效應(yīng),結(jié)論,9.2.2 局部放電定位技術(shù),局放信號(hào)的傳播特性,脈沖傳播氫發(fā)電機(jī)模擬器,脈沖傳播,傳播波形,水力發(fā)電機(jī) - PDA : 在線監(jiān)測(cè) - PDM : 連續(xù)監(jiān)控儀 火力發(fā)電機(jī) - TGA :在線監(jiān)測(cè) - GODS :連續(xù)監(jiān)控 高壓電動(dòng)機(jī) - HVMMS : 遠(yuǎn)程連續(xù)監(jiān)控,9.2.2 局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù),噪聲抑制技術(shù) - 濾波器 - 時(shí)間窗 - 傳播選頻特性 - 圖

17、譜分析 傳感器 - 經(jīng)濟(jì)的，便于安裝 - 固定的:溫度，局放,頻率范圍 - 1 MHz 100 MHz 具有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī),核能發(fā)電機(jī)GODS,發(fā)電廠在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),陶瓷傳感器,一種新型局放監(jiān)測(cè)傳感器,極性鑒別 差分 放大,on-line sensor,on-line sensor,on-line sensor,定子繞組,A,B,C,內(nèi)置的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),電動(dòng)機(jī),頻率響應(yīng) : 高于10 MHz,安裝在楔子表面,局放傳感器,經(jīng)過(guò)濾波器 (30 MHz-80 MHz 帶通濾波) 和噪聲抑制的結(jié)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,倒相反饋電機(jī)的局放監(jiān)測(cè),時(shí)延 微秒,時(shí)延 納 秒,局放定位技術(shù),葛洲壩電站最優(yōu)維護(hù)信息系統(tǒng),19F局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)的采集分析過(guò)程如下：在每相安裝雙傳感器，利用放電脈沖信號(hào)和外界干擾信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)延的不同，以消除隨機(jī)脈沖型干擾，同時(shí)利用數(shù)字濾波幅值鑒別動(dòng)態(tài)閥值等處理方法濾除其他干擾。傳感器耦合到的六路信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理單元后，經(jīng)由多路開(kāi)關(guān)選通其中一相對(duì)應(yīng)的兩路信號(hào)進(jìn)行放大（衰減或者直通）處理，然后

19、進(jìn)入采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入下位機(jī)，再把數(shù)字信號(hào)傳入上位機(jī)和最優(yōu)維護(hù)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。,發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，最大放電幅值Qm為20mv左右，放電量NQN為50 mv左右。圖中黃、綠、紅分別表示A、B、C三相。,2006-04-06日以后監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)明顯增大，最大放電幅值Qm為30mv，放電量NQN為2500 mv左右。,2006年4月18日19F機(jī)組停機(jī)進(jìn)行C修。發(fā)電分部員工在進(jìn)行發(fā)電機(jī)內(nèi)部檢查時(shí)，在 670、671線棒上端絕緣盒之間發(fā)現(xiàn)一段直徑10mm的金屬軟管。,經(jīng)過(guò)對(duì)670槽和671槽下層線棒認(rèn)真地檢查，在兩根線棒的背面、端箍底部離槽口10公分處

20、發(fā)現(xiàn)線棒絕緣已經(jīng)被金屬軟管磨損。其中，671號(hào)線棒上端有直徑10mm的半圓磨痕，670號(hào)線棒上端的棱角處有兩個(gè)缺口，二者磨痕深度都在2-3mm左右，磨痕周?chē)屎谏＿@些現(xiàn)象表明670槽和671槽已經(jīng)放電受損，必須進(jìn)行處理。如圖所示：,處理過(guò)程 （1）將兩根線棒放電部位的絕緣層修理圓滑，無(wú)棱角、突出部分，并用酒精清理干凈。施工時(shí)避免擴(kuò)大、加深損壞的絕緣層。 （2） 調(diào)制環(huán)氧膠并記錄，將修理后的絕緣層用環(huán)氧膠和環(huán)氧泥進(jìn)行修補(bǔ)。先涂刷一層環(huán)氧膠，再用環(huán)氧泥修補(bǔ)凹處至高出原絕緣層，最后再刷一層環(huán)氧膠。,（3）將云母帶裁減成810cm長(zhǎng)的云母片，粘貼兩層在環(huán)氧膠上，用玻璃絲帶壓緊固定云母片至與原絕緣平齊

21、。固化12小時(shí)后拆除玻璃絲帶。檢查云母片與原絕緣層完全搭接嚴(yán)實(shí)，無(wú)間隙。 （4）在處理部位刷環(huán)氧膠，用玻璃絲帶半疊繞包扎3層，每包一層刷一遍環(huán)氧膠。 （5）待環(huán)氧膠固化后圖刷188聚酯晾干紅瓷漆2遍。,處理后局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù) 2006-04-25日16時(shí)開(kāi)機(jī)后放電幅值及放電量起始比較大，和處理前相比略微減小，但開(kāi)機(jī)8小時(shí)后明顯減?。环烹姺蹬c正常運(yùn)行相同，為20mv左右；放電量A相較大，在900mv左右，B、C兩相與正常一樣，在50mv左右。,2006-04-25日16時(shí)開(kāi)機(jī)后至2006-04-27日6時(shí)的數(shù)據(jù)如下圖：,2006-06-4日12時(shí)2006-06-09日02時(shí)波形見(jiàn)

22、下圖：,從圖中可以看出，19發(fā)電機(jī)A、B、C三相放電幅值均小于等于50mv，放電量除個(gè)別點(diǎn)外，均在500mv以下；A相放電幅值和放電量的變化較為平穩(wěn)，B、C相放電量有個(gè)別點(diǎn)突變，C相有1040mv，三相均無(wú)發(fā)散現(xiàn)象。因此，可以判斷發(fā)電機(jī)三相定子繞組絕緣基本無(wú)異常 。,93,9.4 振動(dòng)的監(jiān)測(cè),轉(zhuǎn)子 機(jī)械損傷 污染物堆積 軸彎曲 軸孔偏離中心,風(fēng)扇,齒輪 機(jī)械損傷 軸孔偏離中心,滑輪/槽輪,飛輪,軸,94,葉輪 機(jī)械損傷 腐蝕,聯(lián)軸器 機(jī)械損傷 軸孔偏離中心,電氣繞組 銅線分布不均,鑄造缺陷,熱膨脹,軸孔太大,95,靜不平衡振動(dòng)特征,力偶不平衡振動(dòng)特征,動(dòng)不平衡特征,懸臂轉(zhuǎn)子不平衡特征,96,不平衡振動(dòng)特征,同一軸承上H與V振動(dòng)相位差約為90度（+/-30度）。如果存在1X較大的振動(dòng)，但是，H與V方向振動(dòng)相位差為0度或接近180度，通常這說(shuō)明是其他故障源，例如偏心。 兩側(cè)軸承的H方向振動(dòng)的相位差應(yīng)該接近V方向振動(dòng)的相位差。 徑向方向(H和V)振動(dòng)通常比A方向振動(dòng)大許多(除了懸臂轉(zhuǎn)子之外) 在徑向方向呈現(xiàn)穩(wěn)定的、可重復(fù)的振動(dòng)相位。 共振有時(shí)可能受不平衡的影響較大。 不平衡對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過(guò)大振動(dòng)的影響可能很大。事實(shí)上，在有些剛度較低的軸承座上，不平衡的轉(zhuǎn)子盡管很小的殘余不平衡量，也還會(huì)出現(xiàn)不平衡振動(dòng)，動(dòng)平衡還是可明顯減小松動(dòng)引起的振動(dòng)。但是，往往無(wú)法平衡有松動(dòng)的轉(zhuǎn)子。,97,9.7 軸線不