点检基础篇-6-旋转电机的故障监测与诊断

4．3旋转电机的故障监测与诊断
4 .3. 1概述
旋转电机系泛指同步机、异步机、直流机。

这些设备是企业生产的动力，是关键设备，一台电机出现 故障将会造成整条生产线停产，给企业带来巨大经济损失这些关键设备一则个大，二则技术性能要求高、价格都很贵、故障和事故意味着效益的流失。

预防事故的发生已是企业管理者主要工作内容之一。

投人较少资金安置设备事故监测系统、监测预防设备故障的发生可以减少设备故障造成巨大的经济损 失。

大型电机的故障可分为电气故障和机械故障两类，产生两类故障原因及故障性质不同，处理方法也 不尽相同。

4. 3. 2旋转电机的电气故障
4. 3. 2 .1故障种类
电气故障可分为短路、断路、失磁、破损等几类。

短路：电机绕组匝间、绕组对地、绕组相间、定子与转子之间、接线端子与滑环的短路等。

造成短路 事故的原因是绕组匝间、匝对地、相间绝缘受潮或老化，或机械损伤、长期过载发热绝缘性能降低电击 穿、过电压击穿等。

断路：绕组和导体发热烧断、导体连接点松开、绕组端接点脱焊或受机械力甩开等。

失磁：直流机磁场失电或绕组断路短路等。

4. 3 .2 .2旋转电机的关键参数——绝缘强度
旋转电机所产生各种故障几乎都和绝缘参数有直接和间接的关系。

电机质量的高低绝缘是度量的 主要参数之一，对于电机运行维护的主要工作也是围绕绝缘进行的。

绝缘材料致命的弱点是怕高温，温度升高绝缘值下降，温度达到一定值后绝缘材料变质，所以监控电机的运行温度成为监控电机绝缘状况 的重要手段。

4. 3. 3电机的监测内容
4. 3. 3. 1监测电机的各种电流
(1)检测电机电流的有效值。

通过对电机三相绕组运行电流有效值的监测，可知道和掌握电机的 运行状况，电流表读数表咀三相电流平衡不超过额定值，表示电机运行正常；如果三相电流有一相无读 数，表明电机断相；如果三相电流超出额定值，应迅速查明原因进行处理或者进行限载减载，防止电机发 热而破坏电机的绝缘；如果三相电流不平衡，有的很小，有的大于额定值很多，表示三相绕组绝缘出现故 障，可能柏接地或匝间短路，必须减载和相应检查处理。

(2)零序电流检测可通过对电流值及电流波形的分析，确定电机绕组是否有三相不平街，绕组短 路，接地等故障存在。

(3)接地电流榆测可确知电机绝缘状况，是否箱接地和相漏电的故障。

4 .3 .3 .2电机的温度检测
温度是影响绝缘的关键参数，温度检测应成为电机监测的主要参数。

通过电机内各关键部位装设 湍度传感元件，司以及时知道电机轴的运行温度，绕组和铁芯的温升及局部温升等，及时采取对策进行 处理，避免隐患和事故的进一步扩大。

4. 3 .3. 3运行电压的监测
运行电压的严重过低，要分清是网路电源电压过低还是电机运行过载辟低，电压的降低会引起电机 发热。

运行电压过高，对同步电机来说可能是励磁电流值调节不当，必须调节正确；运行电压过高对于异 步机来说会增加定子电流值。

运行电压过高对各类电机都有增加发热的功能，对电机绝缘不利。

电压 的过高往往会击穿绝缘薄弱处的绝缘，产生电气短路事故。

4.3. 4大型交直流旋转电机的绝缘诊断
各类电机的绝缘要求是共同的，绝缘合格是电机能否通电运行的最基本条件，起一票否决的作用。

绝缘检查同常用兆欧表进行第一个道次的检查，第一道次不合格，下面的检查无法进行。

为了使检查工 作不影响设备质量，要求电机应在驱除潮气，并经过干燥处理后再进行检测试验，确保兆欧表检查绝缘 后进行的高压试验——进一步对绝缘的能力考核，不会困高压把受潮后绝缘很低的电机击穿，造成试验 电机的绝缘检测方法：l.兆欧表法：(包括交流机，直流机)即测量电机绕组对地的绝缘电阻。

2.交流耐压法：(交流电机)即测量电机绕组的耐压值。

3.交流电晕法：测量绕组是否有电晕放电。

4. 3. 5交流电机的故障诊断
4 .3.
5 .l电机工作异常的种类
根据电流的太小，波形形状可以诊断出交流电机若干种异常状况。

(1)绕线型电机一次电流异常。

异常原因：一次电流不平衡、二次绕组不对称、短路、接地、局部发 热造成绕组阻抗不匹配。

(2)绕线型电机二次绕组的电气异常。

异常原因：二次绕组不列称、短路、接地、电刷接触不良、断 线等。

(3)笼型机电气异常。

异常原因：转子断条、外壳破裂、焊接头脱开、虚焊、笼型环断开。

(4)异步机定子电气异常。

异常原因：励磁太大、太小或失磁(励磁绕组短路、接地、开路)。

(5)同步电机机械异常。

异常原因：轴瓦磨损、转子偏心、气隙不均、磁不平衡、轴不对中、轴连接松 动、轴位移。

4 .3 .5. 2电流法诊断交流电机故障
交流电动机正常工作时，所加电压应是三相对称电压，幅值相差角相等，工作电流应是对称三相电 流，则三相对称电流建立的旋转磁场是一个标准圆，电动机旋转速度才均匀、平稳、无振动。

假如定子电 流为三相不对称电流，此时电流建立的旋转磁场则为不规则圆，因此电机圆周的位置不同，对应转子产 生的力矩也不同，转子中感应的电流、转子速度因此含有脉动成分，电机出现振动，振动频率等于脉动数两倍。

分析电流除了看幅值还应用示波器观察其相角关系，从l向可确知振动的原因。

4. 3 .6大型交直流电机机械性故障诊断
4.3. 6. l电气与机械故障的区别
电气故障：
电→绝缘→击穿短路→烧毁电气部件
机械故障：
力→振动→轴弯、不平衡→机件损坏
电气设备的机械性故障的原因除电气本身电磁力的作用外，还受被拖动机械力的影响。

也就是说电机机械性故障有电的原因，也有机械的原因。

电磁力对机械设备故障也有极大影响。

电机电气异常、故障的关键参数是绝缘，电机机械性故障的关键参数是振动，因此诊断电机机械性故障应围绕着检测振动参数进行。

4 .3. 6．2旋转电机机械故障分析
1.旋转电机机械性故障通常以振动方式表现出来，我们取来振动信号，经过分析，将各类振动信号的频率数、频率恃性、振幅等分解成具体量，再确诊故障的部位，故障的类别。

2.振动的频率
不论电气原因或机械原因引起振动都是有它独特的频率特点的，利用频率数，频率特性可确诊故障的部位、性质等。

例如机械原因引起振动的频率与机械转速有关或与齿轮啮合有关。

除电气原因引起振动与机械转速有关外，还与电的频率等周数有关。

电的变化引起感应电机的振动，这可从检测数据的观察分析后确知。

通常电机定子短路会产生1OOHz的振动，转子转动产生故障其振动为一阶振动和转差频率(△f=f o-f e)的二阶边频振动。

振动频谱中含有电源频率乘以极数的频率的振动分量，即振动频率k=f×2fp。

将电机正常工作状态下测取的基准频谱与事故状态时测得的振动频谱进行比较是判断事故振动严重程度的较好方
法。

4. 3 .6 .3大型旋转电机机械性故障监测与诊断
1.诊断内容
大型旋转电机是由许多部件构成的一个组合体，其构造复杂、结构严密、精细、各要求极高，运行中每个部件都有出现故障的几率、它们受本身电参数的影响产生故障，还受被拖动机械设备的回馈影响产生故障，具体来说是运行中受机械力、热、润滑、磨擦、磁场、电场、冷却、潮(水)、腐蚀等因素的作用，使元部件乃至整体运行状态发生变化，产生机械损伤、电烧伤电击穿等事故，造成严重后果，带来经济损失。

故障诊断是对设备运行状况的正常与否，异常程度作出判断估计，其任务是精确可靠诊断出异常部位与名称，预报事故的发生，预报设备的剩余寿命，提出维修方式和计划，确保设备最大限度的安全运行。

旋转电机机械性故障突出表现为振动，因此其测振方法，振动的分析诊断方法应与机械醍备故障诊断方法相同。

机械设备测振，诊断技术特另U是其软件技术极复杂c
2.振动分析诊断方法
根据测振参数的类型的不同，振动诊断方法较多，例如频谱分析法、系统参数分析法、传递函数分析法、倒谱分析法、均方根值分析法、振幅一时间曲线分析法、转速谱图分析法、孝日关诊断分析法、趋势分析法、三维图分析法等。

下面介绍几种方法。

1)均方根值分析法。

以均方根值作判断依据、超过规定的标准值则应进行报警或自动采取停机、碱载等控制措施。

例如发电机或大型鼓风机轴承座的振动位移振幅值超过0 05mm的振幅限制值，此时应报警停机，及时进行检修处理。

均方根值诊断方法适用于稳定振动的隋况，以趋势分析为依据，以正常时的测量参数作比较基准值，将测量的参数——振动的位移量、振动加速度、速度(根据振动特点定)等与正常测定值进行比较．作出趋势发展图进行判断，如图4一11曲线1发展到a点时应发出“注意”警告，曲线2发展到a电时则 应发出“危险”警告或采取控制措施。

图4—11趋势分析报警示意图
同样在a点，报告的程度不同，这是趋势分析的特点。

使用测量参数的原则是低频时测量位移参数，中频时测量速度参数，高频测量加速度值。

因为频率 不同时不同参数的敏感度不同。

2)振幅时间特性分析诊断法。

对于振动不稳定，振动参数随时间变化时振动诊断分析用振幅时间 的历程诊断法，绘制s x=f(t)曲线，测量和记录电机在开机和停机过程中振幅随时间变化的过程，如图
4- 12所示，根据曲线形状判断故障。

例如下面几种判断方法是：
图4一12 S x=f(t)特性图
a.振幅不随时间过程变化，如曲线①所示。

此非本机故障，振动值可能是别的设备或地基振动传递而来。

b.振幅值随开(停)机过程时间而增加，如曲线②所示。

异常的可能原因是转子动平衡不好或者是 轴承座基础刚度小，或者轴承已损坏。

c.开(停)机过程中出现振幅值，如曲线③所示，在峰值处出现共振。

也开机过程中峰值突然增大，如曲线④所示，其原因可能是油膜振动或间隙过小或过盈不足。

d.系统振动不稳定，曲线是变化的，如曲线⑤所示，可能是零部件松动。

3)频谱分析诊断法。

上述两种分析诊断方法较简单，作故障诊断理性成份较多，诊断依据还不充分。

对振动响应数据作频谱分析，量的成分增多，作诊断依据充分得多。

一些典型的常发故障从频谱分析可诊断出来，图4一13为例图。

a.频谱中工频分量太，可能原因是电机转子静动平衡不好，或者是轴到l临界转速，或者结构件的固有频率接近工频；如图4—13(a)所示。

b.频谱中小于工频的低频分量大，可能原因是油膜振动，转轴上有裂纹，或者是(离心式压缩机)喘振；如图4 —13(b)所示。

c.频谱中高频分量大，可能原因是齿轮、滚动轴承、阀门引起振动，如图4—13(c)所示。

d.频谱中有数倍于工频的频率成分时，司能原因是轴安装不对中，或叶片共振或谐波共振，如图4—1 3(d)所示。

4. 3. 6 .4电机机械故障的判据与标准
电气和机械引起机械故障的区别
图4-13频谱分析几例
旋转电机机械性故障产生的主要原因来自电气本身和传动机械两个方面，这两个原因可以单独作 用产生故障，也不可避免地会出现有两个因素同时作用分别产生故障或共同作用产生故障。

两种因素 分别产生的故障较易判断，而共同作用产生一个或两个故障，判断原因较难。

在电力的作用下产生的故障振动，特征是振动的基本频率为电源周期数，所以50Hz电源的电机， 若转速为3000r／min，如果有故障，则振动的基本频率为50Hz或100Hz。

如果故障系机械力引起，这种 情况将会使振动的基本频率与电机旋转速度完全一致，如转速为n=no—Δn，则振动频率的基本频率 等于n的转速。

区别电和机的原因产生故障的方法极简单，停机(电机断电)时，如果故障振动马上消失，则为电气 引起的故障，如果振动不马上消失，而是随机械自由停车而衰减消失，则为机械力引起的故障。

如果故 障由电和机械力两种因素共同作用产生，这时可在电机断电时观察故障消失了什么，保留了什么，凭经 验分析判断电和机械原因各自作用程度。

旋转机械的机械性故障主要部位和名称为转子不平衡、轴承异常、齿轮异常等方面，其故障检测方 式为：
1)由工人定期测定判断，利用便携式诊断仪器定期定点巡回监测，进行离线检测。

2)设置、安装传感元件，利用接头箱，由工人定期检测判断，进行在线定期检测。

3)设置自动化在线监测装置，自动地连续监测诊断，进行在线自动监测诊断。

4 .3. 7旋转电机在线监测
4 .3 .7．1监测参数信号的测取与加工
电机监测参数可分为三种类型，要使电机能在线受到全控，连续不断的得到检测诊断，必须全面的 对各种参数无遗漏的进行监测，被测量参数的量应能正确反映设备的异常状况。

l.正确地选择和安装传感元件与变换器
监测诊断系统只接收一定规格电信号，对于电气参数通常直接以电量(安培、伏特、欧姆)反映出 来，但量的大小不合计算机接受的量值规格要求，因此要各电气参数都规格化，如0--5V(或0--10V)、5--20mA。

对于那些几百伏、几安以上信号必须利用变换器变成便于接收的规格信号；对于机械异常的 振动、位移信号，全部是机械性的，与电拈不上边，为此必须利用传感元件，将机械性信号变成电的信号，例如振动量信号用加速度传感器，位移信号用涡流传感器等进行信号变换，将机械信号量变成电的信号 量，这些传感元件变换输出的电信号很弱，或为电荷数、或为毫伏级，对于这些微弱的电信号必须就地放 大(如电荷放大、电压放大等)自IX-并规格化，才能送人检测系统检验、鉴别、判断、诊断。

传感器的正确安装直接影响到监测诊断系统的精度，因此各类传感器的安装要求为1)必须安装在 异常部位的灵感点上。

2)安装点必须牢固紧密，不能歪斜，必须垂直于被测部件，尽量让传感元件的输 出最大限度地代表异常量的准确值。

温度、流量、压力等信号有的为模拟量，有的是开关量，有的是非电信号等，因此也需要正确设置变 换装置，做到信号的规格化，便于进机。

2.电参数检测、变换
电类参数主要是对电机的电流、电压、功率、绝缘、温度、相角等进行连续实时监测，及时掌握设备运 行状态，有效地监视电机过负荷运转以及绝缘变化、温度变化、防止电气异常引起电气事故的发生。

直流电机的电流电压信号，对地绝缘阻值是利用电动机主回路中的分流器、分压器取出的．交流电 动机贝4用电流(电压)互感器来获取信号或通过电量计算装置间接取得。

图4-14为电量参数测量变 换示意图。

图4-14电量参数测量变换示意图
3.机械性振动参数检测、变换
当旋转电机出现轴承磨损、滚动元件损坏转子轴变形、不平衡、连结松动等机械故障时，都会在电机 轴承座，电机外壳上引起一定程度的振动，某些电气故障如硅整流装置、定子绕组、电刷滑环损坏等，都 会引起电流冲击和波动，从而引起机壳振动。

在轴承座上或机壳上装设测振传感器，并对振动信号进行 频谱分析，即可找到故障的部位及其损坏程度。

一般大型电动机多采用滑动轴承支承转子，这种情况要选用涡流传感器，用以监测转子轴心位移；小型电机多用滚动轴承，则选用加速度传感器较好。

4. 3. 7. 2电机故障在线监测线路结构
交流发电机、同步电动机、交流感应电动机、直流电动机的故障监测参数大部分名称相同，作用相 同，但程多参数的取法，加工变换的方法却不同，而且每一种电机的故障形成参数并不一样，因此不能用 一个结构模式代替。

对交流电机和直流电机应分别设计它们的故障监测结构系统，三种交流电机虽然 结构不同，故障监澳I结构也应有区别，但相同部分多，差异部分较少，可以只设计一种模式代替，实施中 对具体差异再具体考虑。

1.交流电机故障在线监测系统
交流电机产生故障的关键参数有绝缘、电流、电压、温度、转速、功率、能源介质、轴承、振动等。

这些 参数可以一个单独作用或多个联合作用形成故障，有的异常参数不能测量，只能检测异常特征表现再进 行分析，在线监测的线路结构应具备这些逻辑功能。

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2.大型直流电机在线故障监测系统
大型直流电机在线故障监测系统其系统原则结构与大型交流电机基本相同，由于直流机有它自身 构造特点及工作原理的不同，使得直流机故障参数的采集、变换方法、逻辑关系与交流机有较大差异．因 此直流机的故障在线监测系统的结构单独设计。

直流机在线监测系统采集的信号仍为绝缘、电流、电 压、振动、位移、介质等，这些参数名称与交流机相同，但采集方法有异。

4 .3. 7 .3电机温度检测元件的设置
1.电机温度测点
电机的运行温度是电机故障在线和离线监测诊断的一个重要的关键参数。

温度是在其他参数作用 下产生的一个新生参数，从温度的测值看可直接知道电机的运行状况和故障部位，因此对电机温度的检 测应是多部位、多点式的。

测点选址正确才能正确地反映热源与故障部位，因此温度测点的选址是一项 极重要的工作。

由于各种电机的型式种类及容量大小的不同，测点的位置和点数也应略有区别，交、直 流电机温度监测应包括下述内容：
1)定子绕组和铁芯：上下左右前后4～12点；
2)定子外壳：l～2点；
3)两端轴承：每个轴承1点；
4)电枢(转子)：每端1点；
5)换相器(整流子)和电刷：1—2点；
6)冷却介质(风、水、油)：各两点；
2.电机温度的测量方法
1)测量元件。

电机温度监测元件(传感器)有如下几种：
水银(酒精)温度计；压力式温度计；热电偶温度计；热电阻测温仪；热敏电阻测仪；红外线点测温仪；光纤温度传感器。

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2)测温方法。

前述各种测温元器件，由于各自的构造与特点的不同，适用场所也不同。

例如水银(酒精)温度计是直读式，易碎，适用于人工巡检，不能参加自动化系统，这种温度计可挂(插)于电机外壳反映电机的外表温度，绝对禁止埋(插)于绕组铁芯问作涮温器具。

测量电机静止绕组如交流电机定子绕组及直流机励磁绕组，电机轴承应采用热电偶元件，在电机制作中预埋或留插孔。

后期运行时进行接线或将元件插入。

热电偶元件是用热电效应的方法产生温差电势，数量为mv级．将这微弱信号出来经过放大模拟
温度值。

热电阻元件是感温元件的电阻值随温度变化而变化，通过电阻的变化影响预通电流的变化来模拟被测温度。

这些感温元件一温度传感元件要与仪表(信号放大、规划、显示)连为一体才能作为测温仪表使用。

电阻温度仪测量准确、测量范围宽、电阻片易于预埋和粘贴，也可作成插入式，因此在电机故障监测系统中被广泛采用。

热敏电阻测温仪利用热敏元件的负温度系数．温度升高阻值急剧下降的特点，直接将温度变化转换成电量的变化，其测温灵敏度高，分辨率也高，也被广泛使用。

传感元件是将温度变化量转换成电的变化量△u或△I，△u或△I经过放大，规格化后变成计算机自动化监测系统能接收的信号作为温良的模拟信号，这个信号放大规格化过程一般在测温仪表中完成，其输出信号直接进到计算机，如果仪表不具备这些功能或仅使用传感元件，则故障监测系统的设计者应自行设计一套信号转换环节对信号进行变换，视信号的特点利用电桥电路，叠加电路或电位计电路取出信号进行加工再送人计算机。

温度信号可视为直接事故信号，进机后可直接进行事故报警，在软件中与其他信号综合后可进行事故名称、部位、寿命的诊断。

电动机转子的测温很不方便，因为转子是旋转的，它不能用温度计或传感元件直接进行测量，成为测温失控的死区，随着遥感技术的发展，这一难题终于获解，红外线测温仪成为转子测温的理想仪器，这种仪器有便携式、固定式，体积小，进行非接触测体测量，测量距离有远有近之分。

将红外线点温仪固定装于电机端盖上的空间，将物镜对准旋转的转子生温部位、电刷、换向器等，其红外光脉冲能将被测温度作为信号传递出来，其优点是陕速连续、失真小、抗干扰、工作稳定。

(红外线点温仪测斌电机 整流子示意图）
图4—15
4 .3 .7. 4电机的噪声与诊断
电气设备作为噪声源其声源是多种的，其噪声有：电磁噪声，空气动力噪声，机械噪声，轴承噪声，电 刷噪声。

这些噪声的产生是不可避免的，其噪声的大小与设备制作，设备安装质量有关。

同一种设备的 噪声还与其运行状况有关，例如电机，运行速度不同．则其噪声也有所区别。

高速运转时噪声的主要成 分是空气动力噪声，低中速运行时电磁噪声和轴承噪声比较突出。

企业中各种机械、电气设备并存，种类繁多，各种噪音汇集在一起，电气维护人员应广积经验，锻炼 噪音的分辩能力，在杂乱的噪音中能像乐队指挥分辩各种乐器声音那样分辩各种设备的噪音变化，对设 备故障进行听觉粗诊。

这种听觉诊断在预防设备故障工作中有着重要作用。

1.噪声的听诊
1)机械噪声与诊断。

电机旋转通常产生哨声，转速越高哨声越大越尖，若转子动不平衡则在哨声 中加人一强弱可变的成分，其频率和旋转频率相同，属低频噪声，人耳较易辨出。

对于这种情况应视情
节的轻重，制订适时维修计划，进行动不平衡的处理和安装缺陷的改善。

2)轴承噪声与诊断。

电机轴承有滑动轴承与滚动轴承之分，中小电机用滚动轴承，大型电机用滑 动轴承。

滑动轴承噪声较低，滚动轴承噪声高。

3)电刷噪声与诊断。

异步电动机的滑环电刷、直流电机的整流子和电刷在电机旋转工作中都会产 生噪声，这种噪声在电刷窗盖扣紧后噪声不会太强。

电刷噪声由三部分噪声组成，即：
撞击噪声。

撞击声为直流电机电刷独有，电动机旋转时电刷和换向片进人边相撞，撞击是周期性 的，它使电刷在刷握内产生径向跳动和摆动，引起周期性振动产生噪声。

摩擦噪声。

电刷与滑环接触过程产生摩攘发出的声音称为摩擦噪声，这种声音大小与滑环和整流 子表面光洁度、电刷材质、电刷压力、空气湿度等有关。

火花噪声。

电刷下产生的火花也会发出噪声．这种噪声就是电弧放电声。

2.电磁噪声与诊断
电动机是一个将电能转换成机械能的能量变换设备，能量形势的变换是通过磁的交接纽带进行的，有磁就有磁力产生，定子和转子产生磁拉力，使定子和转子产生振动，振动声波通过定子转子轴底座部 件辐射到空间，成为电磁噪声。

对于异步电机来说，电磁噪声的产生有如下原因：
1)气隙磁场的径向力使定子和转子发生径向变形和周期性振动。

2)电气谐波的磁力波可能有某一高次谐渡与机械体引起共振。

3)定子等机件的变形振动引起空气振动。