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直流電機(jī)電樞繞組短路故障的監(jiān)測(cè)分析

發(fā)布時(shí)間：

2023-11-15

來源：

直流大電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷重、工作環(huán)境差、維護(hù)困難，且常因突發(fā)事件造成損害，需要進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)以防止發(fā)生惡性事故。本文介紹以振動(dòng)、電參量、溫度為主的直流大電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并分析了電樞繞組短路事故。指出對(duì)大型電機(jī)的故障監(jiān)測(cè)應(yīng)以電參數(shù)為主、機(jī)械參數(shù)為輔。電氣故障具有突發(fā)性，預(yù)警時(shí)間極短，電參數(shù)有異常時(shí)往往已到事故晚期，而機(jī)械參數(shù)異常通?？奢^早發(fā)現(xiàn)，為排除電機(jī)故障隱患贏得寶貴時(shí)間。

　　關(guān)鍵詞：直流大電機(jī)；電樞繞組；振動(dòng)；監(jiān)測(cè)；事故分析

　　某大電機(jī)有片間電壓過高等先天性缺陷，長(zhǎng)期以來片間絕緣低下，加上工作環(huán)境差、維護(hù)困難、超負(fù)荷工作及受突發(fā)事件影響，環(huán)火時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了軋機(jī)軋制能力的正常發(fā)揮。

　　直流電機(jī)維護(hù)量比交流電機(jī)大得多，稍有不慎，就會(huì)造成電機(jī)故障，因此，有效開展直流大電機(jī)監(jiān)測(cè)診斷是業(yè)界公認(rèn)的難題。為了逐步積累經(jīng)驗(yàn)，維護(hù)好這類設(shè)備，我們?cè)?002年建立了以振動(dòng)和電量參數(shù)為主的直流電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)具有以下功能。

　　（1）實(shí)時(shí)接受前端采集機(jī)發(fā)來的跳閘數(shù)據(jù)，并作出響應(yīng)，自動(dòng)生成跳閘數(shù)據(jù)文件（跳閘前3s，后4s數(shù)據(jù)）。

　　（2）記錄電機(jī)電參數(shù)的采樣周期為0.5ms。

　?。?）收到外部觸發(fā)指令l0ms內(nèi)做出反應(yīng)。

　?。?）在lms內(nèi)對(duì)達(dá)到報(bào)警限的被測(cè)信號(hào)發(fā)出動(dòng)作指令。保存完整的14路信號(hào)觸發(fā)前、后波形數(shù)據(jù)，可屏幕動(dòng)態(tài)輸出，也可用打印機(jī)打印輸出。

　　（5）以波形方式顯示和追憶顯示ZR1、ZR2電參數(shù)，可局部放大顯示。

　　（6）隨機(jī)監(jiān)測(cè)1#、2#軋機(jī)的電參數(shù)和振動(dòng)情況，并生成隨機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)文件，為故障診斷和事故分析提供依據(jù)。

　　一、故障數(shù)據(jù)的診斷分析

　　ZR1軋機(jī)右卷2#電機(jī)系日本原產(chǎn)，1976年投產(chǎn)至今已服役近30年，最后一次修理是2001年。2003年2月11日凌晨，發(fā)生繞組燒壞的突發(fā)事故。

　　電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)具有過流、接地、失磁等保護(hù)裝置和記錄電流電壓波形的筆式記錄儀，事故發(fā)生時(shí)無報(bào)警、無跳閘動(dòng)作，且電流記錄紙上也未見異常波形，而試運(yùn)行的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻出現(xiàn)明顯的波形突變。

　　1．振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

　　從故障發(fā)生前振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的振動(dòng)波形（見第19頁圖4、5）可以看到，振動(dòng)特性曲線劇烈跳動(dòng)，表明電機(jī)的電動(dòng)力矩產(chǎn)生了劇烈波動(dòng)，系由轉(zhuǎn)子繞組局部短路所致。

　　2．電量分析

　　根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的電壓與勵(lì)磁電流監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：（1）電機(jī)電壓幅值41.3V，平均值28V，工作電壓不高，過電壓擊穿的可能性不大；（2）軋第三道時(shí)的線速度為200m/min左右，不存在機(jī)械轉(zhuǎn)速超高，離心力過大造成的破壞。電機(jī)激磁電流為35A，也不存在失磁超速的可能性。

　　因此，初步判斷故障與下列因素有關(guān)：（1）電機(jī)使用年限較長(zhǎng)，絕緣老化；（2）超過額定電流工作的情況時(shí)有發(fā)生，加上武漢地區(qū)夏季環(huán)境溫度高，致使電機(jī)常在較高溫升下工作，加速了絕緣老化，雖然事故發(fā)生時(shí)并非夏天，但早已留下隱患；（3）以往檢修施工時(shí)可能受到外力損傷；（4）進(jìn)風(fēng)口可能吸入細(xì)小金屬物，損壞絕緣。

　　停機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子的非整流子端。雖然轉(zhuǎn)子、定子都受到不同程度的損壞，但轉(zhuǎn)子要嚴(yán)重得多，短路首先由轉(zhuǎn)子引起，燃起的電弧傷及定子。從燒損的情況看，繞組元件的端部連接頭套并未燒熔，電樞槽口的絕緣楔條亦未燒掉，因此短路點(diǎn)不應(yīng)在線槽之內(nèi)，而在槽口與元件焊接頭之間的無緯帶下面兩個(gè)迭繞元件上下層交迭處。

　　圖1為發(fā)生故障的原理示意，圖2為電樞繞組原理圖（事故電機(jī)是八極，此處以四極為例，效果相同）。設(shè)在A點(diǎn)上下層繞組之間絕緣損壞而短路，則元件7的上邊（實(shí)線部分）與元件6的下邊（虛線部分）構(gòu)成一個(gè)短路環(huán)。此短路環(huán)切割電機(jī)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，對(duì)短路環(huán)而言，式中N等于斷路線圈匝數(shù)的2倍，a=1。雖然感應(yīng)電勢(shì)不高，但短路部分的電阻值很小，所以仍將產(chǎn)生很大的電流，在短接處燃起電弧，燒壞其他繞組的絕緣，使事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　3．其它因素分析

　　（1）過壓保護(hù)分析

　　從直流電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的右卷2#電機(jī)電壓和勵(lì)磁電流波形圖知，電機(jī)電壓幅值為42.2V，平均值為26V，大大低于額定工作電壓，故過電壓保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

　?。?）過流保護(hù)分析

　　電樞電流電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，En略低于U，故不會(huì)過電流。當(dāng)電樞局部線圈短路時(shí)，因短路的匝數(shù)＜＜N，故En降低很少。

　　如圖2所示，在電樞繞組的并聯(lián)支路中，只有局部繞組短路支路的電阻降低并不多，大部分未短路的繞組仍能產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，因而并未造成主電路直流猛增，故過電流保護(hù)未動(dòng)作。

　　造成事故主要是因?yàn)樵诰植慷搪防@組中，形成了極大的交流感應(yīng)電流。

　　（3）失磁保護(hù)分析

　　由系統(tǒng)提供的右卷2#勵(lì)磁電流圖可知，激磁電流維持在44A左右，并未發(fā)生失磁的情況，故失磁保護(hù)未動(dòng)作。

　　（4）接地保護(hù)分析

　　短路故障始發(fā)于無緯纏繞線下兩個(gè)迭繞組上下交迭處，并不在鐵芯槽內(nèi)，一開始并不會(huì)構(gòu)成接地，故接地保護(hù)未動(dòng)作。但如事故進(jìn)一步擴(kuò)大至槽內(nèi)，可能會(huì)造成接地，此時(shí)可對(duì)事故電機(jī)進(jìn)行測(cè)量。如確已造成接地，而接地保護(hù)仍未動(dòng)作，則應(yīng)檢查控制系統(tǒng)接地保護(hù)的靈敏度及可靠性。

　　4．維護(hù)建議

　　（1）處于超額定值工作的時(shí)間太長(zhǎng)，將對(duì)電機(jī)壽命產(chǎn)生極其不利的影響，應(yīng)當(dāng)避免。

　?。?）年修時(shí)除清溝、倒角、換電刷等常規(guī)工作外，要著重檢查、恢復(fù)電機(jī)繞組的絕緣。

　　二、結(jié)論

　　含有振動(dòng)量的直流大電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是軋鋼生產(chǎn)線安全可靠運(yùn)行的保證。

　　1．直流大電機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備運(yùn)行不正常的情況，點(diǎn)檢人員對(duì)振動(dòng)信號(hào)所包含的故障應(yīng)予掌握，以防止事故擴(kuò)大。

　　2．大型電機(jī)的故障監(jiān)測(cè)應(yīng)以電參數(shù)為主、機(jī)械參數(shù)為輔。電氣故障具有突發(fā)性，預(yù)警時(shí)間極短，電參數(shù)有異常時(shí)往往已到事故晚期，而機(jī)械參數(shù)發(fā)現(xiàn)異常通常較早，可為發(fā)現(xiàn)隱患贏得寶貴的時(shí)間。