电机本机测温与故障智能诊断

2010-08-28王明军张晓谨

电机与控制应用 2010年6期

王明军，张晓谨

(秦皇岛融大工程技术有限公司，河北秦皇岛 066004)

0 引言

过热和振动是最常见的电机故障。其中轴承、绕组由于过热而导致电机烧毁的故障，要比振动故障多得多。振动故障比较直观，故障的恶化相对缓慢，直接或间接反映的故障有限。过热故障原因较多，表观性差，故障恶化较快，过热现象能够直接或间接反映的故障也是电机最多见和所占比例相当大的故障。因此，监测温度对于保证电机正常运行、分析故障原因尤为重要。

由于制造、测量保护成本昂贵等原因，一般针对较大容量的电机，在轴承、绕组部位安装不同类型铂热电阻传感器，并引出到电机外壳上的传感器接线盒中，再通过信号电缆送至温度显示仪表，或由计算机远程测取数据。

鉴于各种铂热电阻传感器的热响应时间τ0.5相差较大，特别是固定螺纹式铂热电阻传感器的测温端处于测温孔的空气热室中，与测温孔壁、底部非直接接触，加上轴承套存在热阻，轴承运转产生的热量经过轴承外圈、轴承套、测温热室中的空气层，再传递到传感器的测温端，势必存在温度降。因此，测温数值与实际温度存在较大的时间差，导致报警、保护滞后和失控。

1 电机的多部位温度测量

(1)由于电机轴承和绕组是运行中过热故障最多、导致烧损频繁的部位，对其进行温度监测是必不可少的。

(2)除此之外，铁心也是电机发热较严重的部位，铁心过热同样预示着存在故障，如铁心片间短路、局部铁心损坏、高次谐波较严重、绕组匝间短路、定转子摩擦、风道堵塞、冷却介质温度不正常等，对于较重要的电机，铁心温度的测量也不容忽视。

(3)负载波动、冷却介质温度的变化、冷却风扇缺损、转子断条等故障，将导致出风口风温发生变化。因此，监测出风口温度，也有益于电机的保护和故障诊断。

2 电机的多方式温度测量

(1)常见的各种电机，其温度测量都是采取温度上限测量的方式。通过安装在负荷侧和非负荷侧轴承室、三相绕组端部或槽内的测温传感器，对轴承、绕组的工作温度进行监测，当被测温度达到设定温度上限的阙值时，表明此部位过热，超过许用值，发出报警保护信号。该温度上限测量的方式，只是监控被测部位的温度上限，对于被测部位的温度不平衡、低温环境下的温升过度情况，起不到保护作用。特别是在负载波动严重，温度急剧升高时，不能有效预警和保护。

(2)温差测量方式。电机运行中，某一侧轴承的振动、润滑脂过少或缺油、轴承晚期损伤、某一侧轴瓦间隙过小或供油不良、轴瓦润滑油温过高及轴电流等，都将会引起两侧轴承温度存在温度差。同样，某一相绕组匝间短路、缺相运行、三相电压或电流严重不平衡、定转子铁心摩擦、局部铁心损坏或短路、局部风道堵塞等，将引起绕组之间存在温度差。由于绕组、铁心等埋置测温元件的测温点往往不是发热的最高部位，温度上限测量的有效性受到限制。因此，对温差进行测量，有利于在隐患发展成更严重故障之前发现问题。

(3)温升测量方式。电机绕组的温升限值标准是以环境温度40℃为基础制定的。温升是电机设计及运行中的一项重要指标，标志着电机的发热程度，如电机温升突然增大，说明电机有故障，如:风道阻塞或负荷太重。在使用环境温度或冷却介质温度偏低情况，如寒冷地区、野外工作条件下，电机的过负载、绕组匝间或层间短路、电压或电流不平衡、电网电压偏高或电源谐波分量较大、风道堵塞或通风不良、转子断条或匝间短路等故障，会出现绕组温升超过限值，但可能并未超过绝缘等级许用的温度上限，也就是说，在环境温度较低时，温升过高表明超过设计温升值，属于不正常情况。其次，测温传感器处于散热较好的部位，若达到上限，其他热点已严重超限，对此部位只能用温升值测控。另外，低负荷时温升突然增大时，也预示出现故障。监测温升的另一个重要意义是:尽管低温下过负载温度没有超过绝缘等级允许的上限，但是其他部件(轴承、转轴)也不允许过负载。因此，对温升进行测量，具有重要意义。

(4)温度变化率测量方式。电机轴承、绕组温度在正常运行和故障早期时，温度的变化率不大，温度也没达到温度值超限报警的上限，而过负载或故障后期时，温度急剧上升。温度通常传导比较迟缓，加上传感器热响应时间较长等原因，往往温度值超限报警信号还没发出，在较短的时间内轴承、绕组就已经烧毁，使得安装了温度传感器和报警保护装置的电机，照样经常发生轴承、绕组烧毁事故。温度变化率测量方式，就是在极短的时间内，判断出温度变化增量过大，预示将有超温故障出现，超前发出报警或保护信号，克服了热响应、热传递时间的影响，使设备不被烧毁，真正体现出状态预知监测的目的。

3 电机的全方位温度测量

(1)动态采样。现有的温度测量方式，无论是巡回检测仪表，还是计算机远程测取数据，都采用固定的采样周期，按设定的采样周期进行间隔数据采集，不能反映每次间隔期间的温度剧烈变化。根据被测对象的温度变化率，调整采样周期，即被测对象比较稳定时，采样周期间隔较长，当被测对象变化剧烈时，采样周期间隔自动缩短，可以更精确地检测温度变化状态，使温度测量始终处于动态之中。

(2)电机的全方位温度测量就是多部位测温和多方式测温的结合，并实施动态采样，对被测部位进行温度上限、温差、温升及温度变化率的全面测量。这样，当被测部位的温度超过许用温度上限，或者相同部件之间出现较大温度差别，或者在低温状态下绕组温升过高，或者被测任何部位的温度变化率过快，无一例外，都被纳入测量范围，使得电机的报警与更加有效。

4 电机本机测温

(1)对于普遍使用的中小容量电机，一般都没有自带测温装置，运行中只有采用红外测温等方法，人工测量轴承室外部的温度，通常很长时间巡回点检一次，不能连续跟踪电机温度波动变化情况，更不能测量电机内部绕组、铁心的实时温度状况。

(2)状态检测大多采用各种检测设备来采集反映设备状态的信号和参数，然后对采集的信号进行处理，根据掌握的故障征兆和状态参数，判断故障所在，并预测故障的发展趋势。这些步骤基本上是分离进行的，如使用红外测温仪、热成像仪在规定周期采集数据，然后人工或利用计算机软件进行分析、判断是否存在故障或隐患，再根据温度变化曲线预测发展情况，整个过程滞后数据采集很长时间，往往分析诊断还没完成，电机已经烧毁，成为“死后验尸”，即便是巡回检测的仪表，也需要人工记录数据，再进行分析判断，达不到预知监测的效果。

(3)本文所述的“本机”测温，就是在电机本体上安装一个电机智能自诊断装置，将电机轴承、绕组等部位安装的传感器引线接入该温度测量装置，所测各部位的温度在此装置的显示屏上直接显示。

(4)电机本机测温的意义在于:

①日常点巡检工作十分准确方便，巡检人员在电机本体上，可以方便地观看到所有测温部位的实时温度，并可调出查看此前发生过热的部位和数据;

②数据采集、信号处理、故障识别、发展预测融为一体，大大简化了状态监测程序，降低人工监测成本，使状态监测升级成更高级别的状态诊断;

③减少购置投资不菲的状态检测诊断设备，降低对监测、诊断人员的技术水平要求。

5 电机故障智能诊断

常规的电机过热保护控制装置不具备反映故障类型能力，发生故障电源切断后，也需要人工或辅助其他测试手段来进行原因分析，有时还需要结合经验和各种历史数据的对比，才能确定故障原因，因而大多数电机在使用现场无法判断故障原因，耽误时间相当长。

究其各种过热故障原因，基本分成独立性过热故障和并发性过热故障两大类。独立过热故障现象及原因如下:同一时间段，单独某一个测温传感器反映出过热现象，如负载侧轴承过热，或某一相绕组过热，将其称为独立性过热故障。以交流电机为例，某一侧滚动轴承过热的原因可能有:该轴承润滑脂过多或过少;该轴承内、外圈、滚动体或保持架早期损伤，气隙不对称、对中不良，轴电流较大等。某一相定子绕组过热的原因可能有:该相绕组接线处故障、匝间或层间短路，电压或电流不平衡、电压过高，局部铁心损坏、短路，局部通风散热较差等。并发过热故障现象及原因如下:同一时间段，两个或两个以上的测温传感器反映出过热现象，如两侧轴承同时过热，或某一侧轴承和某一相绕组同时过热等，将其称为并发性过热故障。如果交流电机轴承和绕组并发过热，其原因可能有:严重过负载;电源谐波严重，并形成轴电流;转子多处断条并偏心;冷却介质温度过高等。定子绕组、定子铁心、出风口同时反映过热，原因就是散热条件太差或冷却介质温度过高了。

可见，过热征兆部位不同，其故障的原因也不同，监测和反映过热征兆的部位越多，过热原因越少，故障的判断就越容易。在全方位监测下，故障征兆更直接显现，因此诊断更为方便准确。

传感器反映出的上述各种过热现象，通过微处理器的分析，可用故障代码的形式在微型显示屏上表示出来，即某一通道传感器过热，显示屏则提示出该通道号和故障代码，如果是多个传感器反映过热，则在显示屏上轮流提示相应通道号和故障代码。那么，用户只需要根据故障通道号和代码，或对照参考故障表，就可迅速判断故障的大体原因，实现电机故障提示性智能诊断的能力。

6 实施与效果

电机智能自诊断装置实施前述本机测温与故障智能诊断。

(1)测温通道多达8个，满足单台电机静止部件的常规测温点的需要。交流电机可对负荷侧轴承温度、非负荷侧轴承温度、ABC三相绕组温度、铁心温度、出风口温度、环境温度或冷却介质温度等同时进行测量;或对负荷侧轴承温度、非负荷侧轴承温度、ABC三相绕组温度各两路测温。直流电机可对负荷侧轴承温度、非负荷侧轴承温度、励磁绕组温度、换向绕组温度、主极铁心温度、换向极铁心温度、出风口温度、环境温度或冷却介质温度等同时进行测量;也可对润滑油温度或需要的其他部位温度进行监测。不用的传感器通道可留作备用。由于智能自诊断装置通用性、互换性强，超过8通道测温点，可以使用两个或多个时间统一校准的智能自诊断装置测温，即多测一方式，便于互换、降低成本。对于同轴电机、临近的若干台电机的指定测温点，也可用一个智能自诊断装置进行监测，即一测多方式。偶尔测试的测温点，可在数据记录转储后，将智能自诊断装置拆下，达到移动测试记录的作用。

(2)适用传感器形式:PT100等或其他分度号的各种热电阻传感器，通用的三线制接法。测温范围-50℃ ～+250℃;测温精度＜±0.5℃;测温分辨率达0.1℃。

(3)8通道同步动态采样，采样周期10～600 s，采样信息包含对应时间信息、通道号。智能自诊断装置断电可短时继续采样。单独供电的可在断电后长时间采样记录数据。

(4)显示方式为LED或LCD点阵显示屏，每秒钟8通道同步刷新显示一次。

(5)报警、保护为轴承、绕组、铁心、出风口、环境温度或冷却介质温度等温度超限;轴承、绕组等温差超限;定子线圈温升超限;轴承、绕组、铁心、出风口、环境温度或冷却介质温度等温度变化率超限。不同通道的超限报警阙值可单独设定，传感器诊断及故障显示等。

(6)供电电压为单相220 V/380 V，可与低压电机共用同一电源。

(7)2 G容量数据记录，按采样周期同步记录数据，存储时长不少于3年。记录存储的数据，包括测量通道号、测量时刻、温度、温差、温升、温度变化率数值及报警保护信息。

(8)RS-232串行接口，满足集中监测保护控制要求。

(9)配套设置和健康管理软件，便于用户的不同需要设定和集中管理。

(10)测试一台 Y132S-4，5.5 kW，380 V/11.6 A，1 440 r/min异步电动机，两端轴承、三相绕组分别安装WZPM、WZP系列Pt100铂热电阻测温传感器。负荷侧轴承与非负荷侧轴承的温差报警阙值设定为10℃。当负载超过25%时，两侧轴承检测温度超过10℃时，电机智能自诊断装置显示负荷侧轴承温差报警，如表1所示。