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直流電機電樞繞組短路故障的監測分析
發布時間：
2023-11-15
來源：
直流大電機運行負荷重、工作環境差、維護困難，且常因突發事件造成損害，需要進行在線監測以防止發生惡性事故。本文介紹以振動、電參量、溫度為主的直流大電機在線監測系統，并分析了電樞繞組短路事故。指出對大型電機的故障監測應以電參數為主、機械參數為輔。電氣故障具有突發性，預警時間極短，電參數有異常時往往已到事故晚期，而機械參數異常通常可較早發現，為排除電機故障隱患贏得寶貴時間。
關鍵詞：直流大電機；電樞繞組；振動；監測；事故分析
某大電機有片間電壓過高等先天性缺陷，長期以來片間絕緣低下，加上工作環境差、維護困難、超負荷工作及受突發事件影響，環火時有發生，嚴重制約了軋機軋制能力的正常發揮。
直流電機維護量比交流電機大得多，稍有不慎，就會造成電機故障，因此，有效開展直流大電機監測診斷是業界公認的難題。為了逐步積累經驗，維護好這類設備，我們在2002年建立了以振動和電量參數為主的直流電機在線監測系統。
系統具有以下功能。
（1）實時接受前端采集機發來的跳閘數據，并作出響應，自動生成跳閘數據文件（跳閘前3s，后4s數據）。
（2）記錄電機電參數的采樣周期為0.5ms。
（3）收到外部觸發指令l0ms內做出反應。
（4）在lms內對達到報警限的被測信號發出動作指令。保存完整的14路信號觸發前、后波形數據，可屏幕動態輸出，也可用打印機打印輸出。
（5）以波形方式顯示和追憶顯示ZR1、ZR2電參數，可局部放大顯示。
（6）隨機監測1#、2#軋機的電參數和振動情況，并生成隨機檢測數據文件，為故障診斷和事故分析提供依據。
一、故障數據的診斷分析
ZR1軋機右卷2#電機系日本原產，1976年投產至今已服役近30年，最后一次修理是2001年。2003年2月11日凌晨，發生繞組燒壞的突發事故。
電動機的調速控制系統具有過流、接地、失磁等保護裝置和記錄電流電壓波形的筆式記錄儀，事故發生時無報警、無跳閘動作，且電流記錄紙上也未見異常波形，而試運行的振動在線監測系統卻出現明顯的波形突變。
1．振動數據分析
從故障發生前振動在線監測系統顯示的振動波形（見第19頁圖4、5）可以看到，振動特性曲線劇烈跳動，表明電機的電動力矩產生了劇烈波動，系由轉子繞組局部短路所致。
2．電量分析
根據監測系統提供的電壓與勵磁電流監測結果可知：（1）電機電壓幅值41.3V，平均值28V，工作電壓不高，過電壓擊穿的可能性不大；（2）軋第三道時的線速度為200m/min左右，不存在機械轉速超高，離心力過大造成的破壞。電機激磁電流為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：（1）電機使用年限較長，絕緣老化；（2）超過額定電流工作的情況時有發生，加上武漢地區夏季環境溫度高，致使電機常在較高溫升下工作，加速了絕緣老化，雖然事故發生時并非夏天，但早已留下隱患；（3）以往檢修施工時可能受到外力損傷；（4）進風口可能吸入細小金屬物，損壞絕緣。
停機檢修發現，故障點位于轉子的非整流子端。雖然轉子、定子都受到不同程度的損壞，但轉子要嚴重得多，短路首先由轉子引起，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，因此短路點不應在線槽之內，而在槽口與元件焊接頭之間的無緯帶下面兩個迭繞元件上下層交迭處。
圖1為發生故障的原理示意，圖2為電樞繞組原理圖（事故電機是八極，此處以四極為例，效果相同）。設在A點上下層繞組之間絕緣損壞而短路，則元件7的上邊（實線部分）與元件6的下邊（虛線部分）構成一個短路環。此短路環切割電機磁場時產生感應電勢，對短路環而言，式中N等于斷路線圈匝數的2倍，a=1。雖然感應電勢不高，但短路部分的電阻值很小，所以仍將產生很大的電流，在短接處燃起電弧，燒壞其他繞組的絕緣，使事故進一步擴大。
3．其它因素分析
（1）過壓保護分析
從直流電機監測系統提供的右卷2#電機電壓和勵磁電流波形圖知，電機電壓幅值為42.2V，平均值為26V，大大低于額定工作電壓，故過電壓保護不會動作。
（2）過流保護分析
電樞電流電機正常運行時，En略低于U，故不會過電流。當電樞局部線圈短路時，因短路的匝數＜＜N，故En降低很少。
如圖2所示，在電樞繞組的并聯支路中，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生較大的反電勢，因而并未造成主電路直流猛增，故過電流保護未動作。
造成事故主要是因為在局部短路繞組中，形成了極大的交流感應電流。
（3）失磁保護分析
由系統提供的右卷2#勵磁電流圖可知，激磁電流維持在44A左右，并未發生失磁的情況，故失磁保護未動作。
（4）接地保護分析
短路故障始發于無緯纏繞線下兩個迭繞組上下交迭處，并不在鐵芯槽內，一開始并不會構成接地，故接地保護未動作。但如事故進一步擴大至槽內，可能會造成接地，此時可對事故電機進行測量。如確已造成接地，而接地保護仍未動作，則應檢查控制系統接地保護的靈敏度及可靠性。
4．維護建議
（1）處于超額定值工作的時間太長，將對電機壽命產生極其不利的影響，應當避免。
（2）年修時除清溝、倒角、換電刷等常規工作外，要著重檢查、恢復電機繞組的絕緣。
二、結論
含有振動量的直流大電機在線監測系統是軋鋼生產線安全可靠運行的保證。
1．直流大電機振動在線監測系統已經監測到設備運行不正常的情況，點檢人員對振動信號所包含的故障應予掌握，以防止事故擴大。
2．大型電機的故障監測應以電參數為主、機械參數為輔。電氣故障具有突發性，預警時間極短，電參數有異常時往往已到事故晚期，而機械參數發現異常通常較早，可為發現隱患贏得寶貴的時間。
西安泰富西瑪電機有限公司總部
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