煤礦主扇電動(dòng)機(jī)定子絕緣監(jiān)測(cè)原理的研究與應(yīng)用

【摘要】本文分析了礦井主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)絕緣老化狀態(tài)及絕緣故障產(chǎn)生原因和演變過程，并就此提出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中絕緣監(jiān)測(cè)原理和分析方法。

【關(guān)鍵詞】主通風(fēng)機(jī)；故障診斷；絕緣狀態(tài)

1.引言

煤礦主扇是煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)備，不但承擔(dān)這著向煤礦井下輸送新鮮空氣的任務(wù)，還擔(dān)負(fù)著排出井下有害氣體，保障礦井生產(chǎn)安全的重任。煤礦主扇電動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于收到電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，使電動(dòng)機(jī)的絕緣性能、機(jī)械性能逐漸劣化，電氣絕緣強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致絕緣故障，具體故障以及誘發(fā)原因統(tǒng)計(jì)見下表：

電動(dòng)機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)絕緣故障的特征信號(hào)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣健康狀況進(jìn)行綜合診斷，為狀態(tài)維修提供數(shù)據(jù)依據(jù)。電動(dòng)機(jī)絕緣故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：（1）絕緣監(jiān)測(cè)與診斷的故障機(jī)理；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣狀態(tài)的手段；（3）監(jiān)測(cè)絕緣信息的處理和儲(chǔ)存；（4）絕緣狀況特征參數(shù)的形成和提??；（5）絕緣故障診斷方法及理論。介質(zhì)損耗是電動(dòng)機(jī)絕緣狀況的最直接特征參數(shù)，因此，對(duì)介質(zhì)損耗的監(jiān)測(cè)和分析，可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)絕緣健康狀況。

2.介損監(jiān)測(cè)原理

2.1 介損定義：電介質(zhì)在電壓作用下，由于電導(dǎo)和極化將發(fā)生能量損耗，統(tǒng)稱為介損。這種損耗通常會(huì)使絕緣介質(zhì)溫度升高，損耗增大，而溫度的升高會(huì)使絕緣材料的絕緣性能下降，甚至因溫升過高而導(dǎo)致絕緣介質(zhì)失去絕緣作用。

2.2 監(jiān)測(cè)原理：主扇電動(dòng)機(jī)定子是電動(dòng)機(jī)的重要部件及組成部分，其在電壓作用下，其內(nèi)部有能量損耗。因此，在對(duì)定子線圈施加一正弦電壓U時(shí)，其對(duì)地泄漏電容電流不是超前于電壓90°，而是φ角度。線圈的能量損耗簡(jiǎn)稱為介質(zhì)損耗。如圖1所示。按照能量有功損耗的定義，在交流電壓U的作用下，介質(zhì)中的有功損耗為：P=UIcosφ……（1）式中φ為功率因素角。絕緣介質(zhì)的等值電路可以分為串聯(lián)等值電路和并聯(lián)等值電路，見圖2。如果絕緣介質(zhì)的損耗由主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻引起的，則常用串聯(lián)等值電路表示，如果是電導(dǎo)引起的，常用并聯(lián)等值電路表示；多數(shù)高壓電氣設(shè)備多選擇并聯(lián)等值電路進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)同一中絕緣介質(zhì)，兩種電路的介損是相等的。

由如圖2（a）的并聯(lián)等值電路，有如下公式成立：

δ — 為介損角，是功率因數(shù)角φ的余角。tgδ— 為介損因數(shù)，是介損角正切值；ω— 為電源角頻率。

當(dāng)外加電源電壓和頻率固定時(shí)，介損僅與介質(zhì)的等值電容和介損因數(shù)有關(guān)，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)，其等值電容是固定的，因此tgδ就完全反映了介損情況，可以用來評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)定子的絕緣水平。運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)定子主絕緣承受一次高壓，將有泄漏電容電流流過，定子線圈在交變電場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)損耗和極化損耗，它們共同產(chǎn)生電介質(zhì)損耗，所以泄漏電流中不但含有有功分量，還含有無功分量。可以把主絕緣等效為電容和電阻的并聯(lián)模型，因此可以求出其介損因數(shù)：

3.介損角求解原理—諧波分析法

設(shè)為主扇電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓，為定子線圈的泄漏電容電流。二者信號(hào)都滿足狄里赫利條件（即給定的周期性函數(shù)在有限的區(qū)間內(nèi)，只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)和有限個(gè)極大值和極小值），由此可按傅立葉級(jí)數(shù)將信號(hào)分解為直流分量和各次諧波分量之和，如下式：

利用以上三個(gè)公式就可以計(jì)算出基波和各次諧波的初相角和幅值。而想要要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行諧波分析，必須得出離散化的公式，所以采用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，使被測(cè)電壓、電流信號(hào)離散化為一系列的采樣值。設(shè)被測(cè)電壓、電流信號(hào)的周期為T，一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為N，每隔T/N時(shí)間間隔采樣一次，采滿一個(gè)周期后，得到一個(gè)采樣數(shù)據(jù)序列：

根據(jù)傅立葉公式可得，離散化后傅立葉級(jí)數(shù)的系數(shù)an、bn為：

同理，可以求出介質(zhì)泄漏電容電流信號(hào)基波的幅值I1和初相角β1。進(jìn)而可以求出絕緣介損角：

結(jié)束語

本文在分析了目前煤礦主扇電動(dòng)機(jī)定子介損因數(shù)絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了介損因數(shù)在線監(jiān)測(cè)的原理，并采用了基于此原理的絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用于雙鴨山某煤礦，成功監(jiān)測(cè)3起電動(dòng)機(jī)絕緣劣化問題，很好地保證了主扇電動(dòng)機(jī)安全可靠運(yùn)行，對(duì)于煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。