电机绝缘结构故障诊断与研究.doc
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1、电机绝缘结构故障诊断与研究摘要:电机绝缘结构是各类电气设备(包括发电机、电动机、变压器、开关、继电器、家用电器等)的重要组成部分,其作用是隔离带电体与地,以及异体之间的不同电位。电器设备通电后,绝缘结构上就承受了工作电压,绝缘结构性能优劣直接影响到电气设备的安全性,可靠性和使用寿命。对于任何一台电机来说,定、转子绕组,以及铁芯叠片之间的电气绝缘对电机的使用安全、可靠性及寿命有重大影响,绝缘故障会直接间接地引起电机故障,降低可靠性和导致强迫停机,增加维修工作和修理费用。本文对电机绝缘故障产产生原因进行了分析,并对绝缘老化进行了分类,对低压异步电机和交流电机的绝缘结构作了介绍。给出了常用的电机绝缘
2、故障诊断方法和诊断程序,并在此基础上介绍了传感器和虚拟仪器在电机绝缘故障检测中的应用,最后通过一组试验对电机绝缘故障的产生与处理进行了详细的分析。关键词:电机、绝缘、结构、故障诊断 Motor insulation fault diagnosis and researchAbstract: motor insulation structure is all kinds of electric equipment (including generators, motors, transformers, switch, relays, household electric appliances,
3、etc) is an important part of, its effect is belt electricity body and ground, and with the difference between the potential. Electrical equipment after electrify, insulation structure on the work under voltage, insulation structure performance quality directly affect the electrical equipment safety,
4、 reliability and service life. For any motor for, the stator and the rotor winding, and between laminated core of the electrical insulation of the use of motor safety and reliability and life has great influence, insulation fault will direct indirect cause electrical fault, reduce the reliability an
5、d lead to forced outage, increase the cost of repair and maintenance work.This paper in motor insulation fault reasons were analyzed, and the insulation aging, the classification of low voltage ac induction motor and ac motor insulation structure is introduced in this paper. Given the commonly used
6、motor insulation fault diagnosis method and the diagnosis program, and based on this, advances the sensor and the virtual instruments in motor insulation fault detection, the application by a set of test last motor insulation fault production and processing the detailed analysis.Keywords: motor insu
7、lation fault diagnosis目录引 言4第一章 电机绝缘系统的构成及概述51.1绝缘系统51.1.1 对绝缘结构的要求51.1.2 绝缘结构的组成单元51.1.3 绝缘结构的耐热等级61.2 低压异步电机的绝缘结构61.2.1 选择绝缘材料与绝缘结构应考虑的因素61.2.2具体绝缘要求71.3交流电机的绝缘结构91.3.1导体绝缘91.3.2主绝缘结构101.3.3绕组固定11第二章 绝缘结构的故障检测132.1绝缘诊断概述132.1.1绝缘老化132.1.2绝缘诊断的内容和程序142.2电机绝缘故障的检测152.3先进故障检测方法162.3.1 传感器信息融合在电机绝缘故障中
8、的应用162.3.2 虚似仪器在发电机机缘检测中的应用19第三章 电机绝缘故障的诊断243.1设备诊断技术的概念243.2电机故障诊断技术243.2.1 电机故障诊断技术的特点253.2.2常用电机故障诊断技术253.3电机绝缘故障的诊断及处理263.3.1试验分析263.3.2 处理31参 考 文 献35致 谢36引 言电机的正常工作对保证生产制造过程中的安全、高效、敏捷、优质及低耗运行意义非常重大,在工业生产和人们是生活中的应用日益广泛。但是,电机具备在长时间的工作中,由于运行中自身的负荷、损耗、故障、电、热、机械、周围环境等各种因素,不可避免地会产生故障。一旦发生就可能破坏整台设备甚至影
9、响整个生产过程,造成巨大经济损失甚至给人们的生命带来灾难。因此,电机故障进行诊断及早发现故障和预防故障的进一步恶化,减少突发事故造成的停产损失,减少对人员和安全的威胁;并且研究电机故障诊断还还可为电机设计制造者提供经验,积累数据。有助于电机性能及可靠性的改进;同时对电机故障定位、决策及维修也有重要的作用。生产中对关键设备的检查带来了巨大社会效益,主要包括;预防事故,保证人身和设备的安全;推动设备维修制度的改革及提高经济效益。这些效益正不断地为人们所认识,人们也越来越重视诊断技术的发展。障诊断的主要任务有:故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复等。其中:故障检测是指与系统建立连接后,周期性地
10、向下位机发送检测信号,通过接收的响应数据帧,判断系统是否产生故障;故障类型判断就是系统在检测出故障之后,通过分析原因,判断出系统故障的类型;故障定位是在前两部的基础之上,细化故障种类,诊断出系统具体故障部位和故障原因,为故障恢复做准备;故障恢复是整个故障诊断过程中最后也是最重要的一个环节,需要根据故障原因,采取不同的措施,对系统故障进行恢复。第一章 电机绝缘系统的构成及概述1.1绝缘系统1.1.1 对绝缘结构的要求绕组是实现能量交换的主要部件,是由导电性良好的导体和不导电的绝缘层所构成,导体的作用是构成电器的电路,绝缘层的作用是隔离电路与磁路、导体之间、以及带电导体与地之间不同的电位。为了减少
11、铁芯中涡流产生的损耗和阻尼作用,铁芯叠片之间也用绝缘作为隔离层,通常是极薄的一层漆膜。电机内的绝缘层往往是由几种绝缘材料组成,并经过各种工艺处理。如包绕、烘压、浸漆、表面处理等,这种由多种绝缘材料经过加工和特殊处理形成的复合绝缘层,通常称为绝缘结构。绝缘结构比单一的绝缘材料具有更好的电气性能、防潮性能、机械强度、倒热性和整体性。电机内因有数种绕组,往往有几种不同的绝缘结构,他们全体构成了电机的绝缘系统。电机的运行性能和使用寿命,与绝缘材料和绝缘材料的性能密切相关,很大程度上取决于他们的电、热、力学、理化性能。电机要能在恶劣的环境和严苟的运行条件下可靠工作,绝缘结构应具备电气强度高、耐热性高、导
12、热性好、防潮、防尘性好、机械强度高和便于维修等特点,此外对于在湿热带、海上等环境工作的电动机,其绝缘结构应经过特殊处理。1.1.2 绝缘结构的组成单元电机内有几种不同的绝缘结构,每种绝缘结构的制作都必须根据绝缘制作工艺操作文件绝缘规范来进行。绝缘结构是由很多种绝缘材料组成的,他们的作用和性能也各不相同。绝缘的单元结构主要由下列几种:(1)匝间绝缘。用来隔离同一绕组内不同电位的导体,片间绝缘与股线绝缘也属匝间绝缘性质,其承受电压较低。(2)对地绝缘。是主绝缘,承受对地电压,其作用是隔离地与导体之间的电位,要求有较高的电气强度,绝缘层的厚度根据电机的电压等级来确定。(3)层间绝缘。用来作为上、下层
13、导线,或上、下层绕组之间的绝缘,要求有较好弹性和韧性。(4)保护绝缘。用来保护主绝缘,使主绝缘减少制造过程和运行过程受到的机械损伤。保护绝缘要求具有某种好的机械性能,而不要求过高的绝缘性能,保护绝缘最常见的是线圈最外层的保护布带、横槽等。(5)支撑绝缘。主要用来使绕组和带电部件在电机内能可靠地定位和固定,引线夹板,端子板、端部绑扎机等皆属支撑绝缘,支撑绝缘要有较好的强度,并在长时间工作中不应变形。每种绝缘结构都是由上述绝缘的单元结构不同形成的组合。1.1.3 绝缘结构的耐热等级电机内的各种绝缘结构,在长期强电场、高温下运行,其电气和机械性能都将逐渐下降。这是由于绝缘层内有机物中挥发性成分的逸出
14、、氧化裂解、热裂解、水解等化学、物理变化,致使绝缘层变硬、变脆和出现裂纹,而导致力学、电气、理化性能变差,这是通常的绝缘老化现象,是一种劣化的过程。绝缘材料老化的过程中,起主要作用的是长期高温,即所谓的热老化。因此,提高绝缘材料和绝缘结构的耐热性,是改善电机性能,延长使用寿命和提高运行可靠性的重要措施。不同的绝缘材料有不同的耐热性能,电机内的绝缘结构都应有相同的耐热等级。出温度因素外,臭氧、日光照射、电场、机械振动和冲击都是加速老化的因素,老化实际上是绝缘结构材料劣化的综合表现。1.2 低压异步电机的绝缘结构低压异步电机的绝缘结构包括带线绝缘、匝间绝缘、槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘,固定支撑和绑
15、扎绝缘引线绝缘及绝缘处理。根据耐热性绝缘材料份A,E,B,F,H级,耐热性依次增高,绝缘结构分级亦依次增高。据统计,低压异步电机的烧毁约70%由绝缘损坏造成,电机在重绕修理中一般都是按照原设计的绝缘结构进行装置,如能根据电机的实际使用条件及环境配置绝缘结构,会大大延长电机的使用寿命,节约修理费用。1.2.1 选择绝缘材料与绝缘结构应考虑的因素(1)环境因素 电机的使用环境主要是指自然环境、电源环境、机械环境。电机重绕修理时,应在认真调查、落实、分析、研究其使用环境特点后,再结合原来的绝缘结构去设计配置新的绝缘结构。比如:在潮湿地沟或水泵房使用的电机,选择绝缘结构时应充分考虑绝缘材料的防湿耐水性
16、:使用在高温煤尘较大场合的电机,应升级使用部分绝缘结构,增大导电部分的对地距离,增大槽绝缘的爬电距离,以防煤尘进入电机造成短路故障。 (2)绝缘结构工艺绝缘结构的工艺影响电机整机绝缘状况及散热性。使用复合绝缘材料比使用多层组合绝缘结构工艺简单,散热性好,结构紧凑,便于嵌线。绝缘结构的几何尺寸一定要符合设计要求的精度。所用绝缘材料应无破损,无皱折,干燥清洁。同一类型绝缘结构,几何尺寸应统一标准。嵌线中若局部绝缘被损坏,可以经行局部加强处理。 (3)绝缘材料的成本在保证电机使用寿命、安全性、可靠性的前提下,优先选用价格低、绝缘水平高,或价格较低绝缘水平能满足绝缘结构要求的绝缘材料。1.2.2具体绝
17、缘要求(1)匝间绝缘 匝间绝缘是指电机绕组中导线与导线间的绝缘。选用不同的电磁线,绝缘等级不同。正常运行的电机匝间电压很低,电机处在换路瞬间操作电压峰值能达到额定电压的两倍,因此对于频繁启动或经常性过载运行的电机可采用绝缘等级较高的电磁线,如玻璃丝包聚酯漆包线、有机硅漆浸渍玻璃丝包线或聚酞胺漆包线。(2)对地绝缘绕组的对地绝缘结构有两种形式:复合材料绝缘结构,多层组合绝缘结构。前者比后者的剪裁工艺简单,粘接性好,占用空间少。复合绝缘由几层粘合在一起,但各层的作用不同。如DMD复合绝缘材料,D为聚酷薄膜。嵌线时靠近槽壁的聚酷纤维无纱布主用起机械保护作用、防止损伤主绝缘;靠近导线的纤维无纱布主要防
18、止嵌线过程中损伤主绝缘;介于两者之间的聚酚薄膜主绝缘是承受电气击穿强度的。槽绝缘受到的机械力随电机运行电流和电压等级的提高相应增加。为满足机械力和爬电距离的要求,应增加绝缘材料。有两种形式,一种是槽绝缘不伸出槽口,一种是伸出槽口。伸出槽口要剪掉槽口处多余的绝缘材料,造成浪费,嵌线时槽绝缘出口处要承受较大的电磁力,因此应加强出口处绝缘的机械强度,通常把伸出槽口的绝缘纸弯折。方法有两种,一种是弯折部分进入槽内,一种是弯折部分不进入槽内与槽平齐,为小型电机也可不弯折。嵌线完毕,将槽绝缘顺序卷压后打入槽楔,槽楔的作用是固定槽内线圈,防止外部机械损伤。槽楔长度与槽绝缘垫入槽内的实际长度相等。槽楔的选用,
19、可按照电机整机的绝缘等级要求确定,具体材料规格可参照有关设计手册。绝缘结构的耐热等级可见表11表11 绝缘结构的耐热等级耐热等级YAEBFH允许最高温度()90 105120130155180(3)层间绝缘和相间绝缘 层间承受相电压,层间绝缘的结构槽绝缘。层间绝缘的宽度以包住线圈的直线部分为宜,并使层间线圈绝缘。相绝缘是三相绕组端部线圈不同相之间的绝缘。端部线圈比置于槽内的线圈松散,散热性差,因此适当增加相绝缘对电机的长期安全可靠运行是非常有益的。在电机的重绕修理中相绝缘应升级,选用绝缘等级高、耐热性好、耐老化、高温下易收缩的绝缘材料。相绝缘应能保证可靠分离绕组端部异相线圈,其制作是将正方形的
20、绝缘纸沿对角线折成三角形,再剪去多余部分即可。容量较大电机相绝缘应增强。有时同相线圈的端部用玻璃丝包扎。包扎后绕组的散热性减弱,故容量小的电机不包尖。相绝缘是很重要的一项内容。经验证明,电机烧毁几乎全部发生在绕组的端部,因此选择相绝缘时应依据电机原相绝缘结构,适当增强端部相绝缘,这有助于电机的安全运行。(4)引出线电机通常采用丁晴橡胶股电缆引出线。引接线与绕组的接头处用玻璃丝带或聚酷薄膜带包扎后套绝缘管。引接线的选择,一要满足启动电流对截面的要求,二要看引线的完好状况,有无老化、破裂现象。 (5)端部整形及绑扎整形应尽量压紧端部绕线包。为了防止飞弧,绕组的对地最小距离应小于10mm。整形完毕,
21、要对端部较长的绕组进行绑扎,端部长度不同,则端部匝数和绑扎道数不同,具体要求根据原设计及修理经验确定。1.3交流电机的绝缘结构1.3.1导体绝缘(1)绕组线绝缘目前水轮发电机、汽轮发电机条式线圈导体基本都是采用的双玻璃丝包线或双玻璃丝包漆包线SBEB或SBEQB,绝缘厚度为0.40mm,其击穿电压在500V以上,但实际上单匝线圈的股线电压仅只有几伏,用击穿电压有500V的绝缘来绝缘几伏的电压,造成绝缘的浪费和结构设计的不合理。在绝缘技术方面有理由采用较薄的绝缘厚度0.180.20mm,国外大电机制造公司较为常用的绝缘厚度。国内0.20的双玻璃丝包线或双玻璃丝包漆包线的击穿电压为300V,完全可
22、以满足电机绝缘结构设计和实际需要并可以较大地降低线圈高度尺寸。如对于5060根导线组成线圈导体其绝缘在高度方面的占有量为: 对于0.40mm厚绝缘导体2631x0.40=10.4012.40mm。约为13.4%以上。对于0.20mm厚绝缘导体2631x0.20=5.206.20mm。约为6.7%以上高度降低一半,对于定子槽深度降低了10mm以上,可极大地改善电机设计技术经济指标。圈式线圈的导线目前基本上都是采用的双玻璃丝包薄膜线包线,绝缘厚度0.50.6mm,其特点是绝缘击穿电压高,可以达到5000V以上,为上玻璃丝包线的10倍,这样做的目的是可以用股线绝缘来代替全部或者部分匝间绝缘,在线圈制
23、造时尽可能做到不包或者少包匝间绝缘,减少个工人劳动强度,保证就绝缘强度,这在一定程度上是合理的,但就交流电机圈式绕组而言有很大的局限性。以股线绝缘部分或全部代替匝间绝缘,对于单根或者双根并绕的线圈效果是明显的、合理的,但是对于像8根并绕或3根以上叠绕的线圈也采用0.500.60mm厚的绝缘导线就显得不合理了,这是因为在如此厚的股线绝缘的作用,造成了绝缘的极大浪费并且占据了很大的高度尺寸,如按4根线高度计算,每匝的股线绝缘就有2.02.4mm而实际有用的也只是很小一部分为0.50.6mm。从经济角度讲,用双玻璃丝包薄膜绕包线价格高出双玻璃丝包线很多,如常用的双玻璃丝包亚胺薄膜绕包线就高出近一倍,
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