電機本機測溫與故障智能診斷

王明軍， 張曉謹(jǐn)

(秦皇島融大工程技術(shù)有限公司，河北秦皇島 066004)

0 引言

過熱和振動是最常見的電機故障。其中軸承、繞組由于過熱而導(dǎo)致電機燒毀的故障，要比振動故障多得多。振動故障比較直觀，故障的惡化相對緩慢，直接或間接反映的故障有限。過熱故障原因較多，表觀性差，故障惡化較快，過熱現(xiàn)象能夠直接或間接反映的故障也是電機最多見和所占比例相當(dāng)大的故障。因此，監(jiān)測溫度對于保證電機正常運行、分析故障原因尤為重要。

由于制造、測量保護成本昂貴等原因，一般針對較大容量的電機，在軸承、繞組部位安裝不同類型鉑熱電阻傳感器，并引出到電機外殼上的傳感器接線盒中，再通過信號電纜送至溫度顯示儀表，或由計算機遠(yuǎn)程測取數(shù)據(jù)。

鑒于各種鉑熱電阻傳感器的熱響應(yīng)時間τ0.5相差較大，特別是固定螺紋式鉑熱電阻傳感器的測溫端處于測溫孔的空氣熱室中，與測溫孔壁、底部非直接接觸，加上軸承套存在熱阻，軸承運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過軸承外圈、軸承套、測溫?zé)崾抑械目諝鈱?，再傳遞到傳感器的測溫端，勢必存在溫度降。因此，測溫數(shù)值與實際溫度存在較大的時間差，導(dǎo)致報警、保護滯后和失控。

1 電機的多部位溫度測量

(1)由于電機軸承和繞組是運行中過熱故障最多、導(dǎo)致燒損頻繁的部位，對其進行溫度監(jiān)測是必不可少的。

(2)除此之外，鐵心也是電機發(fā)熱較嚴(yán)重的部位，鐵心過熱同樣預(yù)示著存在故障，如鐵心片間短路、局部鐵心損壞、高次諧波較嚴(yán)重、繞組匝間短路、定轉(zhuǎn)子摩擦、風(fēng)道堵塞、冷卻介質(zhì)溫度不正常等，對于較重要的電機，鐵心溫度的測量也不容忽視。

(3)負(fù)載波動、冷卻介質(zhì)溫度的變化、冷卻風(fēng)扇缺損、轉(zhuǎn)子斷條等故障，將導(dǎo)致出風(fēng)口風(fēng)溫發(fā)生變化。因此，監(jiān)測出風(fēng)口溫度，也有益于電機的保護和故障診斷。

2 電機的多方式溫度測量

(1)常見的各種電機，其溫度測量都是采取溫度上限測量的方式。通過安裝在負(fù)荷側(cè)和非負(fù)荷側(cè)軸承室、三相繞組端部或槽內(nèi)的測溫傳感器，對軸承、繞組的工作溫度進行監(jiān)測，當(dāng)被測溫度達(dá)到設(shè)定溫度上限的闕值時，表明此部位過熱，超過許用值，發(fā)出報警保護信號。該溫度上限測量的方式，只是監(jiān)控被測部位的溫度上限，對于被測部位的溫度不平衡、低溫環(huán)境下的溫升過度情況，起不到保護作用。特別是在負(fù)載波動嚴(yán)重，溫度急劇升高時，不能有效預(yù)警和保護。

(2)溫差測量方式。電機運行中，某一側(cè)軸承的振動、潤滑脂過少或缺油、軸承晚期損傷、某一側(cè)軸瓦間隙過小或供油不良、軸瓦潤滑油溫過高及軸電流等，都將會引起兩側(cè)軸承溫度存在溫度差。同樣，某一相繞組匝間短路、缺相運行、三相電壓或電流嚴(yán)重不平衡、定轉(zhuǎn)子鐵心摩擦、局部鐵心損壞或短路、局部風(fēng)道堵塞等，將引起繞組之間存在溫度差。由于繞組、鐵心等埋置測溫元件的測溫點往往不是發(fā)熱的最高部位，溫度上限測量的有效性受到限制。因此，對溫差進行測量，有利于在隱患發(fā)展成更嚴(yán)重故障之前發(fā)現(xiàn)問題。

(3)溫升測量方式。電機繞組的溫升限值標(biāo)準(zhǔn)是以環(huán)境溫度40℃為基礎(chǔ)制定的。溫升是電機設(shè)計及運行中的一項重要指標(biāo)，標(biāo)志著電機的發(fā)熱程度，如電機溫升突然增大，說明電機有故障，如:風(fēng)道阻塞或負(fù)荷太重。在使用環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度偏低情況，如寒冷地區(qū)、野外工作條件下，電機的過負(fù)載、繞組匝間或?qū)娱g短路、電壓或電流不平衡、電網(wǎng)電壓偏高或電源諧波分量較大、風(fēng)道堵塞或通風(fēng)不良、轉(zhuǎn)子斷條或匝間短路等故障，會出現(xiàn)繞組溫升超過限值，但可能并未超過絕緣等級許用的溫度上限，也就是說，在環(huán)境溫度較低時，溫升過高表明超過設(shè)計溫升值，屬于不正常情況。其次，測溫傳感器處于散熱較好的部位，若達(dá)到上限，其他熱點已嚴(yán)重超限，對此部位只能用溫升值測控。另外，低負(fù)荷時溫升突然增大時，也預(yù)示出現(xiàn)故障。監(jiān)測溫升的另一個重要意義是:盡管低溫下過負(fù)載溫度沒有超過絕緣等級允許的上限，但是其他部件(軸承、轉(zhuǎn)軸)也不允許過負(fù)載。因此，對溫升進行測量，具有重要意義。

(4)溫度變化率測量方式。電機軸承、繞組溫度在正常運行和故障早期時，溫度的變化率不大，溫度也沒達(dá)到溫度值超限報警的上限，而過負(fù)載或故障后期時，溫度急劇上升。溫度通常傳導(dǎo)比較遲緩，加上傳感器熱響應(yīng)時間較長等原因，往往溫度值超限報警信號還沒發(fā)出，在較短的時間內(nèi)軸承、繞組就已經(jīng)燒毀，使得安裝了溫度傳感器和報警保護裝置的電機，照樣經(jīng)常發(fā)生軸承、繞組燒毀事故。溫度變化率測量方式，就是在極短的時間內(nèi)，判斷出溫度變化增量過大，預(yù)示將有超溫故障出現(xiàn)，超前發(fā)出報警或保護信號，克服了熱響應(yīng)、熱傳遞時間的影響，使設(shè)備不被燒毀，真正體現(xiàn)出狀態(tài)預(yù)知監(jiān)測的目的。

3 電機的全方位溫度測量

(1)動態(tài)采樣?，F(xiàn)有的溫度測量方式，無論是巡回檢測儀表，還是計算機遠(yuǎn)程測取數(shù)據(jù)，都采用固定的采樣周期，按設(shè)定的采樣周期進行間隔數(shù)據(jù)采集，不能反映每次間隔期間的溫度劇烈變化。根據(jù)被測對象的溫度變化率，調(diào)整采樣周期，即被測對象比較穩(wěn)定時，采樣周期間隔較長，當(dāng)被測對象變化劇烈時，采樣周期間隔自動縮短，可以更精確地檢測溫度變化狀態(tài)，使溫度測量始終處于動態(tài)之中。

(2)電機的全方位溫度測量就是多部位測溫和多方式測溫的結(jié)合，并實施動態(tài)采樣，對被測部位進行溫度上限、溫差、溫升及溫度變化率的全面測量。這樣，當(dāng)被測部位的溫度超過許用溫度上限，或者相同部件之間出現(xiàn)較大溫度差別，或者在低溫狀態(tài)下繞組溫升過高，或者被測任何部位的溫度變化率過快，無一例外，都被納入測量范圍，使得電機的報警與更加有效。

4 電機本機測溫

(1)對于普遍使用的中小容量電機，一般都沒有自帶測溫裝置，運行中只有采用紅外測溫等方法，人工測量軸承室外部的溫度，通常很長時間巡回點檢一次，不能連續(xù)跟蹤電機溫度波動變化情況，更不能測量電機內(nèi)部繞組、鐵心的實時溫度狀況。

(2)狀態(tài)檢測大多采用各種檢測設(shè)備來采集反映設(shè)備狀態(tài)的信號和參數(shù)，然后對采集的信號進行處理，根據(jù)掌握的故障征兆和狀態(tài)參數(shù)，判斷故障所在，并預(yù)測故障的發(fā)展趨勢。這些步驟基本上是分離進行的，如使用紅外測溫儀、熱成像儀在規(guī)定周期采集數(shù)據(jù)，然后人工或利用計算機軟件進行分析、判斷是否存在故障或隱患，再根據(jù)溫度變化曲線預(yù)測發(fā)展情況，整個過程滯后數(shù)據(jù)采集很長時間，往往分析診斷還沒完成，電機已經(jīng)燒毀，成為“死后驗尸”，即便是巡回檢測的儀表，也需要人工記錄數(shù)據(jù)，再進行分析判斷，達(dá)不到預(yù)知監(jiān)測的效果。

(3)本文所述的“本機”測溫，就是在電機本體上安裝一個電機智能自診斷裝置，將電機軸承、繞組等部位安裝的傳感器引線接入該溫度測量裝置，所測各部位的溫度在此裝置的顯示屏上直接顯示。

(4)電機本機測溫的意義在于:

①日常點巡檢工作十分準(zhǔn)確方便，巡檢人員在電機本體上，可以方便地觀看到所有測溫部位的實時溫度，并可調(diào)出查看此前發(fā)生過熱的部位和數(shù)據(jù);

②數(shù)據(jù)采集、信號處理、故障識別、發(fā)展預(yù)測融為一體，大大簡化了狀態(tài)監(jiān)測程序，降低人工監(jiān)測成本，使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測升級成更高級別的狀態(tài)診斷;

③減少購置投資不菲的狀態(tài)檢測診斷設(shè)備，降低對監(jiān)測、診斷人員的技術(shù)水平要求。

5 電機故障智能診斷

常規(guī)的電機過熱保護控制裝置不具備反映故障類型能力，發(fā)生故障電源切斷后，也需要人工或輔助其他測試手段來進行原因分析，有時還需要結(jié)合經(jīng)驗和各種歷史數(shù)據(jù)的對比，才能確定故障原因，因而大多數(shù)電機在使用現(xiàn)場無法判斷故障原因，耽誤時間相當(dāng)長。

究其各種過熱故障原因，基本分成獨立性過熱故障和并發(fā)性過熱故障兩大類。獨立過熱故障現(xiàn)象及原因如下:同一時間段，單獨某一個測溫傳感器反映出過熱現(xiàn)象，如負(fù)載側(cè)軸承過熱，或某一相繞組過熱，將其稱為獨立性過熱故障。以交流電機為例，某一側(cè)滾動軸承過熱的原因可能有:該軸承潤滑脂過多或過少;該軸承內(nèi)、外圈、滾動體或保持架早期損傷，氣隙不對稱、對中不良，軸電流較大等。某一相定子繞組過熱的原因可能有:該相繞組接線處故障、匝間或?qū)娱g短路，電壓或電流不平衡、電壓過高，局部鐵心損壞、短路，局部通風(fēng)散熱較差等。并發(fā)過熱故障現(xiàn)象及原因如下:同一時間段，兩個或兩個以上的測溫傳感器反映出過熱現(xiàn)象，如兩側(cè)軸承同時過熱，或某一側(cè)軸承和某一相繞組同時過熱等，將其稱為并發(fā)性過熱故障。如果交流電機軸承和繞組并發(fā)過熱，其原因可能有:嚴(yán)重過負(fù)載;電源諧波嚴(yán)重，并形成軸電流;轉(zhuǎn)子多處斷條并偏心;冷卻介質(zhì)溫度過高等。定子繞組、定子鐵心、出風(fēng)口同時反映過熱，原因就是散熱條件太差或冷卻介質(zhì)溫度過高了。

可見，過熱征兆部位不同，其故障的原因也不同，監(jiān)測和反映過熱征兆的部位越多，過熱原因越少，故障的判斷就越容易。在全方位監(jiān)測下，故障征兆更直接顯現(xiàn)，因此診斷更為方便準(zhǔn)確。

傳感器反映出的上述各種過熱現(xiàn)象，通過微處理器的分析，可用故障代碼的形式在微型顯示屏上表示出來，即某一通道傳感器過熱，顯示屏則提示出該通道號和故障代碼，如果是多個傳感器反映過熱，則在顯示屏上輪流提示相應(yīng)通道號和故障代碼。那么，用戶只需要根據(jù)故障通道號和代碼，或?qū)φ諈⒖脊收媳恚涂裳杆倥袛喙收系拇篌w原因，實現(xiàn)電機故障提示性智能診斷的能力。

6 實施與效果

電機智能自診斷裝置實施前述本機測溫與故障智能診斷。

(1)測溫通道多達(dá)8個，滿足單臺電機靜止部件的常規(guī)測溫點的需要。交流電機可對負(fù)荷側(cè)軸承溫度、非負(fù)荷側(cè)軸承溫度、ABC三相繞組溫度、鐵心溫度、出風(fēng)口溫度、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等同時進行測量;或?qū)ω?fù)荷側(cè)軸承溫度、非負(fù)荷側(cè)軸承溫度、ABC三相繞組溫度各兩路測溫。直流電機可對負(fù)荷側(cè)軸承溫度、非負(fù)荷側(cè)軸承溫度、勵磁繞組溫度、換向繞組溫度、主極鐵心溫度、換向極鐵心溫度、出風(fēng)口溫度、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等同時進行測量;也可對潤滑油溫度或需要的其他部位溫度進行監(jiān)測。不用的傳感器通道可留作備用。由于智能自診斷裝置通用性、互換性強，超過8通道測溫點，可以使用兩個或多個時間統(tǒng)一校準(zhǔn)的智能自診斷裝置測溫，即多測一方式，便于互換、降低成本。對于同軸電機、臨近的若干臺電機的指定測溫點，也可用一個智能自診斷裝置進行監(jiān)測，即一測多方式。偶爾測試的測溫點，可在數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)儲后，將智能自診斷裝置拆下，達(dá)到移動測試記錄的作用。

(2)適用傳感器形式:PT100等或其他分度號的各種熱電阻傳感器，通用的三線制接法。測溫范圍-50℃ ～+250℃;測溫精度＜±0.5℃;測溫分辨率達(dá)0.1℃。

(3)8通道同步動態(tài)采樣，采樣周期10～600 s，采樣信息包含對應(yīng)時間信息、通道號。智能自診斷裝置斷電可短時繼續(xù)采樣。單獨供電的可在斷電后長時間采樣記錄數(shù)據(jù)。

(4)顯示方式為LED或LCD點陣顯示屏，每秒鐘8通道同步刷新顯示一次。

(5)報警、保護為軸承、繞組、鐵心、出風(fēng)口、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等溫度超限;軸承、繞組等溫差超限;定子線圈溫升超限;軸承、繞組、鐵心、出風(fēng)口、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等溫度變化率超限。不同通道的超限報警闕值可單獨設(shè)定，傳感器診斷及故障顯示等。

(6)供電電壓為單相220 V/380 V，可與低壓電機共用同一電源。

(7)2 G容量數(shù)據(jù)記錄，按采樣周期同步記錄數(shù)據(jù)，存儲時長不少于3年。記錄存儲的數(shù)據(jù)，包括測量通道號、測量時刻、溫度、溫差、溫升、溫度變化率數(shù)值及報警保護信息。

(8)RS-232串行接口，滿足集中監(jiān)測保護控制要求。

(9)配套設(shè)置和健康管理軟件，便于用戶的不同需要設(shè)定和集中管理。

(10)測試一臺 Y132S-4，5.5 kW，380 V/11.6 A，1 440 r/min異步電動機，兩端軸承、三相繞組分別安裝WZPM、WZP系列Pt100鉑熱電阻測溫傳感器。負(fù)荷側(cè)軸承與非負(fù)荷側(cè)軸承的溫差報警闕值設(shè)定為10℃。當(dāng)負(fù)載超過25%時，兩側(cè)軸承檢測溫度超過10℃時，電機智能自診斷裝置顯示負(fù)荷側(cè)軸承溫差報警，如表1所示。

表1 電機智能自診斷裝置顯示負(fù)荷側(cè)軸承溫差報警

(11)測試一臺 YKK450-4，220 kW，10 kV/15.9 A，1 488 r/min異步電動機，該電機兩端軸承和三相繞組已安裝測溫傳感器。負(fù)荷側(cè)軸承與非負(fù)荷側(cè)軸承的溫差報警闕值設(shè)定為15℃。三相繞組的溫差報警闕值設(shè)定為10℃。

將負(fù)荷側(cè)軸承、非負(fù)荷側(cè)軸承傳感器接入智能自診斷裝置的①、②號通道;A、B、C三相繞組傳感器接入智能自診斷裝置的③、④、⑤號通道;環(huán)境溫度傳感器接入智能自診斷裝置的⑧號通道。智能自診斷裝置通電后，提示①號通道開路，確認(rèn)負(fù)荷側(cè)軸承測溫傳感器電阻無窮大，更換傳感器后，顯示測溫數(shù)據(jù)正常。

電機空轉(zhuǎn)試驗，斷電6 min前后，智能自診斷裝置提示A、C繞組溫差報警?？辙D(zhuǎn)測試溫度數(shù)據(jù)如表2所示。

由于空轉(zhuǎn)試驗時三相電流平衡，而三相繞組測試溫度相差超過10℃，懷疑測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故進行堵轉(zhuǎn)試驗。堵轉(zhuǎn)開始前，三相繞組溫度已相差很大，智能自診斷裝置即提示A、C繞組溫差報警;堵轉(zhuǎn)15 min時，智能自診斷裝置提示非負(fù)荷側(cè)軸承溫差報警。堵轉(zhuǎn)測試溫度數(shù)據(jù)見表3。

經(jīng)分析，估計非負(fù)荷側(cè)軸承傳感器②與B相繞組傳感器④，在接入智能自診斷裝置的端口時有差錯。停機后排查，確認(rèn)系這兩個傳感器交叉接入智能自診斷裝置的指定端口，導(dǎo)致反映數(shù)據(jù)不正常和溫差報警。

表2 空轉(zhuǎn)測試溫度數(shù)據(jù)℃

表3 堵轉(zhuǎn)測試溫度數(shù)據(jù)℃

7 結(jié)語

(1)實施本機全方位溫度測量方式和動態(tài)采樣分析，超前智能預(yù)警，可有效診斷電機的過熱故障。

(2)智能自診斷裝置將日常點檢和專業(yè)點檢結(jié)合在一起，大大降低了巡檢工作量和人工成本。

(3)電機智能自診斷裝置集數(shù)據(jù)采集器、信號分析儀、程序控制器、數(shù)據(jù)記錄儀功能于一身，不僅實現(xiàn)了狀態(tài)檢測的效果，而且可滿足初步狀態(tài)診斷的需要。

(4)監(jiān)測對象多、投資費用低，安裝、操作和調(diào)整簡單，使溫度狀態(tài)監(jiān)測和在線故障診斷從大型電機向中小型電機延伸，更有利于提高電機產(chǎn)品檔次和升級。