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感應電機電氣故障機理
感應電機電氣故障機理【1】
【摘 要】感應電機電氣類故障主要由電機結(jié)構(gòu)以及工作環(huán)境決定。
感應電機電氣故障發(fā)生的頻率表明，電氣故障主要來源于軸承和定子繞組，很多故障對電機運行狀況有著高度的敏感性，如：絕緣損壞，局部放電，火花;熱效應：銅損，缺乏整體或局部冷卻等，以下，對感應電機電氣故障機理進行具體分析。
【關鍵詞】感應電機 電氣故障 類型 分析
電氣故障，在定子或轉(zhuǎn)子上發(fā)生，可以有不同的故障類型和不同的故障原因。
如電源電壓不平衡或者是頻繁起動都會導致定子線圈過熱，最后導致絕緣子的局部破壞。
同樣的，施加在導體上的電動阻力會導致機械振動，也可能使絕緣惡化。
1 定子故障
定子故障是最常見故障之一。
本文主要分析定子鐵芯、定子繞組匝間短路和繞組絕緣三類故障的形成原因。
1.1 鐵芯故障
感應電機定子鐵芯是用硅鋼片夾緊鐵芯固定在定子支架上，正因為這個結(jié)構(gòu)，如果損傷了定子鐵芯，就會形成定子片間短路。
定子出現(xiàn)高溫、大環(huán)路電流、絕緣材料高溫分解現(xiàn)象。
流過鐵芯短路位置的電流不斷增大。
大到一定程度，定子鐵芯硅鋼片就會被熔化，導致定子槽中絕緣繞組被燒化，此時必須更換線圈。
此種故障產(chǎn)生原因多為制造缺陷，電機劇烈振動導致的電機定子鐵芯片間絕緣損壞也是故障誘因之一。
(1)鐵芯多點接地故障。
當鐵芯多點接地發(fā)生故障后，會伴隨很多奇特的現(xiàn)象，如：繞組過熱、絕緣損耗和老化、接地線路被燒斷、鐵損增大、鐵芯過熱。
(2)鐵芯過熱故障。
鐵芯過熱故障的原因通常包括：不正常接地、絕緣損壞、定子繞組匝間短路、過載運行等。
鐵芯過熱多發(fā)生在夾件與鐵芯上。
1.2 繞組絕緣故障
感應電機的故障往往是由于繞組絕緣空洞或混有雜質(zhì)等缺陷造成的。
絕緣缺陷主要是生產(chǎn)過程中造成的，因此電機的運行狀況與使用壽命與生產(chǎn)工藝息息相關。
絕緣缺陷和絕緣老化導致的絕緣故障都表現(xiàn)為電機內(nèi)活動性放電量增加，通過一些檢測實驗可以獲得絕緣老化的一些數(shù)據(jù)參數(shù)，通過分析能夠判斷絕緣老化的程度和原因。
1.3 定子繞組匝間短路故障
定子繞組匝間短路也是感應電機常見故障之一，故障原因主要有生產(chǎn)工藝不合格和不正常的運行兩個方面引起。
1.3.1 定子故障的發(fā)展過程
感應電機定子故障的最初階段，電機仍可正常運行，功率、電壓及震動也都在正常范圍之內(nèi)，但此時電機定子磁場已發(fā)生改變，定子電流中可以檢測到故障特征。
這里我們采用了定子電流法診斷感應電機定子故障，隨著故障的惡化，電機正常運行受到影響，震動加劇，輸出轉(zhuǎn)矩波動，電機工況異常，故障即將爆發(fā)。
再進一步發(fā)展，更多的絕緣被損壞使得短路故障加劇，劇烈震動，定子溫升劇增使得電機無法正常運行。
1.3.2 定子故障后果
(1)定子匝間短路引起電機機身和機座振動。
感應電機一旦發(fā)生故障，電機機身和各零部件都會出現(xiàn)振動，振幅超過臨界值會造成定轉(zhuǎn)子的摩擦，嚴重時會損毀電機，甚至危害人身安全。
感應電機發(fā)生匝間短路故障時，電機機身發(fā)熱造成的不對稱以及點磁拉力不平衡都會引起電機振動。
(2)短路故障引起各電氣量變化。
定子繞組匝間短路致使絕緣損壞，相當于定子繞組中有效匝數(shù)減少，電磁場發(fā)生變化進而導致電機運行電氣量(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流，磁鏈等)的改變，定子電流中表現(xiàn)為偶次諧波分量的出現(xiàn)以及奇次諧波含量的變化，該變化會隨著故障程度的加深而不斷演化。
感應電機的氣隙磁場受勵磁電壓的影響，與負載是否對稱無關。
定子狀態(tài)健康的電機，當電源三相對稱時，氣隙磁場完全對稱，定子繞組不出現(xiàn)偶次諧波分量。
匝間短路后，氣隙磁場不再對稱，會導致偶次諧波成分(如2次諧波)的出現(xiàn)。
定子繞組與電源接通，定子繞組中流過的對稱的三相電流，基波旋轉(zhuǎn)磁動勢也相應地會在氣隙中建立起來，其同步轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率和電機繞組極對數(shù)共同決定，即：
鼠籠式感應電機中，轉(zhuǎn)子導體切割定子旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應出電動勢再感生出相應的電流。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與定子同步轉(zhuǎn)速不等，轉(zhuǎn)差率s= -/，當感應電機負載發(fā)生變化時，電機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩隨負載變化而波動。
感應電機匝間短路后定子繞組部分會出現(xiàn)局部過熱，電流不再三相對稱，轉(zhuǎn)矩變小，噪聲和振動加劇。
(3)定子繞組匝間短路故障的機理分析。
感應電機定子繞組三相存在120°的相位差，并且在時間和空間上對稱分布，該結(jié)構(gòu)的作用是既可以使由三相對稱電流產(chǎn)生的氣隙磁場達到基本正弦的要求，又可以使各個線圈磁勢中的低次諧波與間諧波(分數(shù)次)相互抵消。
處于正常狀態(tài)的感應電機，定子電流中的主要頻率分量是基波分量。
但是考慮到制造工藝不合格、材料不達標、安裝不正規(guī)等原因，實際的感應電機三相繞組不可能完全對稱，這會導致定子電流中2 次或3 次諧波成分的出現(xiàn)。
電機定子繞組發(fā)生短路故障時，三相繞組不對稱性加劇，表現(xiàn)在氣隙磁場中為較強的空間諧波，在定子電流中則是較強的時間諧波成分，三相繞組不對稱性的加劇使得定子電流中奇次和偶次諧波增強。
定子繞組匝間短路故障會改變原有諧波成分的能量，并且其它頻率的諧波成分也會增多。
定子繞組發(fā)生匝間短路故障后在繞組電感中也表現(xiàn)出變化，根據(jù)磁鏈與電流的相互關系可以給出定、轉(zhuǎn)子中的感應電流的變化。
定子電流諧波在定、轉(zhuǎn)子之間通過電磁感應不斷影響得到定子電流特征諧波的過程如下：
定子轉(zhuǎn)子定子轉(zhuǎn)子
上式中，并且是相對角速度，(和分別是轉(zhuǎn)差率和電源基波頻率)
定子電流的諧波成分如下式
由以上推導可知，正常狀態(tài)電機中，定子電流諧波成分如上式所示，此時繞組三相對稱，電流中只有單一的諧波成分。
定子故障后，各次諧波幅值發(fā)生變化，繞組的不對稱性使高次諧波增加。
對定子繞組匝間斷路故障的分析還可以從磁動勢的角度進行分析。
基于磁動勢原理分析推導得到的定子繞組故障時定子電流中的特征諧波為： 為轉(zhuǎn)自槽數(shù)，是電機極對數(shù)，為電源基。
2 轉(zhuǎn)子故障
轉(zhuǎn)子溫度過高，離心負荷過大，及轉(zhuǎn)子制造過程中的缺陷(間隙和氣泡以及不合格的鑄件澆鑄和金屬焊接技術)都會導致轉(zhuǎn)子故障。
離心負荷過大在電機啟動過程中最為常見，生產(chǎn)制造缺陷則會導致導體電阻過高，從而引起過熱。
高溫使得鼠籠結(jié)構(gòu)的強度降低，進而可能出現(xiàn)鼠籠條裂紋。
籠條超出轉(zhuǎn)子槽范圍便失去轉(zhuǎn)子鐵芯的支撐，長時間的高溫運行也會引起端環(huán)和籠條變形，并最終導致端環(huán)與鼠籠條斷裂。
電機轉(zhuǎn)速改變時，籠與端環(huán)間必然有力的作用;電機負荷無規(guī)律的變動導致的轉(zhuǎn)速波動以及電機頻繁的啟制動過程造成的磁場變化都會增加籠條和端環(huán)故障的發(fā)生幾率。
轉(zhuǎn)子故障征兆一般表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速變化，電機振動，定子電流三相不平衡，負序成分的產(chǎn)生及斷電殘壓。
電機在高速運行過程中會導致轉(zhuǎn)子本體故障。
轉(zhuǎn)子本體故障一般表現(xiàn)為：軸彎曲、不平衡、軸裂紋、不對中以及偏心等。
轉(zhuǎn)子不平衡時，轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，會產(chǎn)生同轉(zhuǎn)頻的周期性激振力導致電機振動增大。
電機轉(zhuǎn)子在加工過程中留下的傷痕在運行中，會出現(xiàn)裂紋，嚴重時會導致轉(zhuǎn)子斷裂的災難性故障。
偏心分為靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心以及混合性偏心，轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障時會產(chǎn)生不平衡磁拉力，從而引起振動。
轉(zhuǎn)子溫度分布不均使得轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲時，振動加劇，會導致定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生碰摩，最終損壞電機。
2.1 轉(zhuǎn)子斷條故障分析
轉(zhuǎn)子斷條故障發(fā)生后，定、轉(zhuǎn)子三相電流都不對稱，電機轉(zhuǎn)矩失衡，其脈動成分也增加。
斷裂的導條阻抗無窮大，導條的電流為零，電機轉(zhuǎn)矩總量會減小并且不對稱的轉(zhuǎn)子電流氣隙的磁場發(fā)生變化，形成反向旋轉(zhuǎn)的磁場，因而電磁轉(zhuǎn)矩也為反向，正負轉(zhuǎn)矩相互抵消，電機的有效轉(zhuǎn)矩就相應的減少。
這種故障會引起電流和電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩，在轉(zhuǎn)動慣量較大時(恒定速度)，該故障現(xiàn)象更引人注目。
當轉(zhuǎn)動慣性較小時，振蕩發(fā)生在機械轉(zhuǎn)速和定子電流幅值上。
斷條發(fā)生后，通入三相電流以后，啟動時間明顯延長。
隨著斷條根數(shù)的增加，轉(zhuǎn)矩也在變小，脈動成分增加，波動性變大。
轉(zhuǎn)子故障后如果電機繼續(xù)運行，與斷條相鄰的籠條和與斷條空間位置對稱的導條電流會突增，導條溫度也會急劇升高，斷條相鄰和相對籠條受到更大的應力，更易斷裂。
發(fā)生斷條后，很多電氣量都或多或少發(fā)生相應的變化。
電機起動時間變長，有效力矩減小，轉(zhuǎn)差變大，電機振動和噪聲增強，定子電流波動，電機局部升溫。
2.2 端環(huán)斷裂故障分析
環(huán)形截面斷裂故障發(fā)生頻率可以與斷條故障相比較。
這些斷裂是由于澆鑄時的氣泡或由于導條與環(huán)之間張力的不同造成，尤其是在短路環(huán)比轉(zhuǎn)子導條產(chǎn)生更大的電流。
環(huán)的生產(chǎn)尺寸不合格，再加上惡劣的運行環(huán)境以及過負荷運行，都會造成斷裂。
一般情況下，一根斷條故障不會造成機器關閉，因為穿過斷條的電流分布在相鄰的導條。
然而斷裂的導條過載或者是斷條進一步增加就會導致停機。
3 結(jié)語
感應電機電氣故障有屬于機械結(jié)構(gòu)導致的故障，有定、轉(zhuǎn)子等元器件故障，物理成因是感應電機故障主要表現(xiàn)形式。
常規(guī)故障經(jīng)過分析和檢測后，均可在使用中最大程度的避免故障發(fā)生。
參考文獻：
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發(fā)電機電氣故障智能診斷機理【2】
摘 要：發(fā)電機作為各種機械的電力來源，為其正常發(fā)揮功用提供保障，是各行各業(yè)工作穩(wěn)定性的重要基礎，起著不可或缺的作用。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種機械對電力的要求也在逐漸增大，為了滿足電力要求，發(fā)電機組的規(guī)模也在不斷增加，發(fā)電機組的運作變得復雜，一旦出現(xiàn)問題，靠人力診斷檢測需要耗費大量的時間，會降低工作效率，且長時間的缺電會使各種電器無法投入工作，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。
將計算機技術與發(fā)電機故障診斷相結(jié)合，既促進了發(fā)電機智能化診斷的進程，又提高了故障診斷的效率，為發(fā)電機的穩(wěn)定輸出電力提供了良好的保障。
本研究對發(fā)電機電氣故障的智能診斷進行分析，掌握其智能診斷的工作機理，為其穩(wěn)定的工作奠定基礎。
關鍵詞：發(fā)電機;電氣故障;智能診斷
前言
發(fā)電機在我國的電力系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，是保證電力能夠滿足使用要求的關鍵所在。
由于發(fā)電機組的日益龐大，其發(fā)生電氣故障的概率也在逐漸的上升，對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性會造成隱患，給人們的日常生活帶來不便，影響我國的經(jīng)濟發(fā)展。
目前，我國雖然對電力系統(tǒng)的故障智能診斷有了較為深入的研究和進展，但是對發(fā)電機還沒有引起充分的重視，發(fā)電機電氣故障智能診斷的研究還不夠，這樣使得發(fā)電機發(fā)生故障時，不能及時的發(fā)現(xiàn)，可能會導致故障的進一步惡化，對故障的診斷效率也不高，可能會造成惡性事故的發(fā)生。
因此，對發(fā)電機的故障智能診斷進行研究和發(fā)展，對保證電力系統(tǒng)的可靠運轉(zhuǎn)有著重要的意義。
1 發(fā)電機電氣故障智能診斷系統(tǒng)的控制概述
1.1 發(fā)電機故障智能診斷系統(tǒng)的功能
發(fā)電機故障只能診斷系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)電機各個部位產(chǎn)生的故障及時的發(fā)現(xiàn)，減少了由人工一一排查故障部位的時間，在減少故障時間的同時，也能夠阻止故障的進一步惡化。
智能診斷系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)故障部位時，能夠?qū)收喜课划a(chǎn)生的可能原因進行分析，進而對維護人員的檢修程序給予最佳方案，幫助技術人員以效率最高的故障排除方法對發(fā)電機電氣系統(tǒng)的各種常見故障及疑難故障進行修理，極大的提高了發(fā)電機故障排除的效率，從根本上維護了我國電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
發(fā)電機智能診斷系統(tǒng)是集合了故障診斷專家的實戰(zhàn)經(jīng)驗和豐富的診斷知識，對發(fā)電機的故障診斷具有極高的診斷效率，在實際操作中發(fā)揮著重要的作用，能夠快速的找到故障部位并且提供有效的檢修方法，還可以對發(fā)電機的故障進行模擬訓練，對技術人員的故障檢修流程進行指導，幫助技術人員對維修技術和工藝進行掌握，以便于在真正發(fā)生故障時，工作人員能夠高效的進行故障排除，減少發(fā)電機故障造成的經(jīng)濟損失。
發(fā)電機的運作設計圖和運作方式都各有不同，不同的發(fā)電機組在發(fā)生故障時的故障排查方式和解決方案都會有所更改，這對于技術人員的發(fā)電機故障修理具有極高的技術性要求，為了減輕檢修人員的工作強度，智能診斷系統(tǒng)可以收集各種類型的發(fā)電機組運作原理、易發(fā)故障部位、使用維護說明書等資料，有利于工作人員在故障排除時，及時的查閱到相關基礎資料，提高技術人員對發(fā)電機組的了解程度，提高故障排除效率。
1.2 智能診斷系統(tǒng)的重要組成部分
發(fā)電機電氣故障智能診斷系統(tǒng)是與計算機技術相結(jié)合，將高新技術運用到故障診斷中，有效的提高了故障診斷效率。
系統(tǒng)是以計算機C語言為核心，與相關的測控專業(yè)工具相結(jié)合，實現(xiàn)對發(fā)電機組工作性能進行檢測，由相關的診斷模塊測試發(fā)電機工作狀態(tài)是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)問題，通過C語言編程的診斷程序，快速判斷故障部位，并且找到可能導致故障的原因，指導技術工人正確的對發(fā)電機組進行維修工作。
智能診斷系統(tǒng)中，全面覆蓋了發(fā)電機容易發(fā)生的各種故障和導致故障的原因，對發(fā)電機組的正常開關機等操作都有詳細的記錄，在工作人員進行相關的操作時，方便其進行快速的查詢，保證維修時操作的規(guī)范性，能夠有效的避免由于人工失誤引起的二次事故。
智能檢�y系統(tǒng)不僅限于對發(fā)電機組是否故障進行檢測，還可以按照技術要求測定發(fā)電機組的相關數(shù)據(jù)的測量，方便技術人員及時掌握發(fā)電機的工作狀態(tài)。
1.3 智能診斷系統(tǒng)的運行特點
智能診斷系統(tǒng)具有很高的智能性，是將計算機技術、人工智能技術、電子技術等高新技術有機結(jié)合形成的智能系統(tǒng)，將大部分的發(fā)電機組型號、運行特點、操作規(guī)范等都涵蓋在內(nèi)，能夠?qū)C組各電器總成的電流、電壓等參數(shù)實時檢測，預防發(fā)電機發(fā)生故障，并且能夠提供一套正確高效的解決方法。
智能系統(tǒng)知識庫收集了電氣故障診斷專家的診斷經(jīng)驗和專業(yè)知識，將其運用到實際的故障診斷和排除上，實現(xiàn)理論知識與實踐相結(jié)合，通過與技術工人之間的配合，來時刻保證發(fā)電組正常的工作。
智能診斷系統(tǒng)的功能強大，對發(fā)電機的正常運轉(zhuǎn)發(fā)揮著不可替代的作用，操作簡便易上手，對于操作方法還不夠嫻熟的技術工人，操作界面有詳細的提示信息，通過文字、圖片、聲音等傳播載體，將發(fā)電機組的相關信息詳盡的進行顯示，方便技術工人的查詢、操作、學習。
2 發(fā)電機電氣故障智能診斷系統(tǒng)的機理分析
2.1 模糊理論的建立
為了讓智能診斷系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組發(fā)生故障，能夠盡快的找到故障原因，并且對故障部位進行提示，提出有效的故障檢修方法，要正確的處理故障部位與故障原因之間的關系。
因為發(fā)電機的某一故障可能是由于多方面的因素導致，也就是說，會有多種原因造成這一故障，而且隨著發(fā)電機組的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)更加復雜，故障部位與故障原因之間的關系縱橫交錯，這是實現(xiàn)智能診斷系統(tǒng)正確診斷應該解決的難點之一。
因此，要利用故障部位與故障原因之間的關系，結(jié)合故障診斷專家的專業(yè)技能，使用模糊理論的手段，實現(xiàn)智能診斷系統(tǒng)對故障原因的判斷。
模糊理論是用來表達發(fā)電機組內(nèi)故障部位與故障原因之間相互交叉的關系，建立模糊關系方程式，就可以幫助診斷系統(tǒng)做出正確的診斷。
2.2 發(fā)電機組的溫度測定
溫度異常是表示發(fā)電機組可能出現(xiàn)故障的表現(xiàn)之一，對發(fā)電機組的溫度進行測試，可以判斷發(fā)電機的運行情況。
這是利用設立在發(fā)電機相關部位的溫度傳感器，將測得的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送入智能診斷系統(tǒng)進行判斷分析，并且能夠?qū)囟鹊淖兓�通過顯示器顯示，以此來向技術人員傳達發(fā)電機組的溫度變化情況。
還具有溫度異常報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)溫度超出設定范圍，會發(fā)出警報及時通知技術人員。
2.3 對發(fā)電機組內(nèi)各項參數(shù)進行監(jiān)控
智能診斷系統(tǒng)對發(fā)電機組內(nèi)的定子電流、電壓，轉(zhuǎn)子電流、電壓進行監(jiān)控和測試，可以將相關參數(shù)送入計算機內(nèi)，經(jīng)過分析計算可以得出發(fā)電機組的有功功率、無功功率、功率參數(shù)等因素，有助于對發(fā)電機組的運行情況進行分析，幫助找出不必要的功率損耗，從而對發(fā)電機組進行改進，提高發(fā)電機組的工作效率。
結(jié)束語
發(fā)電機在我國的電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，一旦發(fā)電機出現(xiàn)故障，電力系統(tǒng)就不能對外輸出電力，對各種用電機械的正常工作產(chǎn)生影響。
而隨著發(fā)電機組的日益復雜，產(chǎn)生故障的概率更是不斷提高，檢修難度也有所增加。
發(fā)電機電力故障智能診斷系統(tǒng)的發(fā)展，能夠及時的發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組的故障部位，并且指導檢修人員按照最佳的操作流程對故障部位進行修理，避免故障的進一步惡化，為發(fā)電機工作的穩(wěn)定性提供保障，從而提高我國電力系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。
參考文獻
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