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大型电动机故障诊断与保护理论综述

作者：佚名文章来源：技术论文点击数：更新时间：2008-10-13 8:55:32

     电动机是各行各业应用最广泛的动力设备，供电系统90%的电能是通过电动机消耗的。大型电动机的单台价值可高达百万元，由于保护技术落后，其烧损情况严重［1～4］。这种情况在国内外各行各业中普遍存在，直接经济损失巨大。而大型电动机往往又是重要生产过程的动力和重要辅机设备，若其损坏还将中断重要的生产过程，影响安全生产和产品质量，其间接损失是难以估价的。
　　大型电动机的故障诊断与保护，长期以来一直是学术界和工程界的研究热点和难题。近十几年来，这一领域的研究主要在两个方面：一方面是寻求在保护理论上的突破，逐步由定性到定量、由外部故障到内部故障等；另一方面是在实现手段上发展，逐步由电磁型、电子型到微机型，由单一功能到智能化的综合保护等。本文对近十几年来电动机故障诊断与保护理论的发展和主要成果进行了较全面的综述，并对这一领域的发展趋势作了展望。本文认为，大型电动机内部故障的定量分析方法的理论突破是实现其有效保护的关键。

1 电动机常规保护理论
　　我国电动机的常规保护方式一般采用热继电器型或电磁型的过电流保护，大型电动机有配置零序电流保护，个别的还有差动保护。过流保护的基本原理是以电流幅值增加作为故障判据，从原理上只能反应对称故障，对断相、接地、不平衡运行等不对称故障不能及时有效地保护。
    常规过流保护不能有效保护不对称故障的原因主要有两方面：一是各类不对称故障不一定出现明显的过电流，根据文献［5］的分析，当断相故障时，只有电动机负荷率大于0．7时，健全相才会出现过流，而由于负荷特性及电动机选型等因素，电动机经常运行于轻载的情况是很普遍的；另一原因是不对称故障对电动机的危害不只表现在过流引起的过热效应，更主要的是负序电流效应。负序效应会导致电动机端部发热、转子振动、减小起动力矩等一系列问题，这时仅以过流来反映故障严重程度显然是不够的。
　　在保护特性方面，大型电动机要求速断切除故障，还应能够区分电动机冷、热态过载，而同时大型电动机的启动电流大，启动时间长。以GL系列为代表的电磁型反时限过流或两段式电流保护在整定时，速断保护定值必须躲开电动机自启动电流，而反时限和定时限的整定又必须大于电动机的自启动时间，因此反映故障的灵敏度低，切除故障的时间长，往往保护动作时电动机已严重烧损。
　　虽然电动机常规保护方式存在许多严重缺陷，但目前仍是电动机保护的主体。这一方面是由于电动机量大面广，管理欠规范，不如发电机等电气主设备受到重视。另一方面也由于目前许多新型综合保护鱼龙混杂、市场混乱，其性能和可靠性有待进一步检验。
2 基于对称分量法的电动机保护理论
    根据对称分量法理论，当发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、负序和零序电流分量，其中正序分量可以反映电动机过流程度，负序分量和零序分量在正常运行时没有或很小，因此若通过检测负序和零序电流分量来判别各类不对称故障应具有很高的灵敏度及可靠性。
    大型电动机常见故障的分析结果如表1^［6］。　　
    根据以上分析，电动机发生对称故障时的主要特征是出现电流幅值增大，而发生不对称故障时的主要特征是出现负序和(或)零序电流。基于此原理可构成大型电动机的综合保护。包括：过电流保护、负序电流保护、零序电流保护、差动保护(针对各类匝间短路)。
　　由表1，还可进一步发现，电动机的各序电流分量及过流程度等故障信息的分布组合关系与电动机的故障类型之间具有较好的对应关系。根据这一关系，可以鉴别电动机的故障类型，判别故障原因，从而实现电动机保护的智能化。
　　20世纪80年代中后期，以原电力工业部电力自动化研究院的MPR－1型综合保护为代表的一代集成电路电动机保护研制成功^［7］，其采用正、负、零序反时限电流保护实现短路、不平衡和接地保护，从原理和电路上则考虑了电动机过热保护和起动时间过长及堵转保护。这类保护在保护原理上有了很大进步，但保护特性由于由硬件电路实现，整定不灵活、不连续，动作时间精度也不理想。另外，这类保护也未考虑过压、欠压及差动保护，在要求高的场合不能满足要求.

    随着微机保护技术的成熟以及在电力系统应用的日益普及，近年来国内外研制了一系列微机型电动机保护装置^{［5，8～9］}。基本原理都是基于以上对称分量法原理，以过流、负序、零序为主体的综合保护。由于微机保护软件实现的灵活性，新一代电动机微机保护的保护特性大大改善，能够较好地处理躲过电动机起动过程、冷态和热态时允许温升的不同、定值连续调节等问题。笔者利用表1的故障分析信息，借助于微机智能化的优势，实现了具有故障诊断功能的电动机智能化微机保护，可以提供故障类型等信息，为事故分析提供了有力的工具^［5］。这一领域的最新发展趋势是将电动机运行状态的测量、保护、控制、通信集成于一体的微机型电动机终端单元。
　　目前，对称分量法理论在处理电动机外部严重故障的诊断与保护方面已研究得较为成熟。然而，由于对称分量法是基于理想电机假设，忽略了多种电磁谐波及绕组的不对称，而这些电磁信号的变化往往是电动机早期故障诊断最为关心的征兆。同时，对称分量法以每相绕组为基本分析单元，当处理电动机内部故障时，出现了电抗修正和相序网络间相互关联等困难，从而难以有效地定量分析。因此基于对称分量法的电动机内部故障机理的研究也只能停留在定性分析的层面。
3 基于先进信号处理方法的电动机保护理论
　　由于对称分量法原理上的局限性，目前电动机保护判据对于定子内部绕组故障和转子鼠笼断条等故障难以定量反映，对于故障的早期诊断更是无能为力。实际运行中电动机保护动作时，电动机已严重烧损的情况是很普遍的。因此长期以来，大型电动机的在线监测和故障诊断成为继电保护研究人员和运行人员追求的目标。
　　大型电动机故障机理分析、故障特征量的确定及提取方法是实现电动机早期故障诊断的基础。故障机理的定量分析需借助于大型电动机内部故障分析模型和方法的突破，本文将在下节讨论。故障特征量的确定及提取，近十几年来随着检测手段和分析方法的不断发展而层出不穷。大型电动机内部绕组发生故障时，必定伴随着电动机的电气量、电磁量和机械振动信号变化。基于这一事实，电动机在线监测及故障诊断所提取的故障特征量有^［4］：定子绕组的局部放电，定子电流的高次谐波和不平衡检测，电机端部磁通检测,机械振动信号检测等。由于这些特征量在电动机故障早期都很微弱，甚至有时难以和电动机正常运行时的不平衡信号区分开来，因此研制高灵敏、高抗干扰性能的传感器以及先进的信号处理分析方法的应用成为这一领域的重要研究课题，而这两者实际上又是相互关联、紧密联系的。
　　基于Fourier变换的频谱分析技术在电动机故障诊断中是研究较早的信号处理方法。文献［10～11］通过定子电流频谱分析研究鼠笼电动机转子断条的故障诊断，可以实现精确到转子1根导条断裂的在线监测。文献［12］应用定子电流的高解析(high－resolution)频谱分析技术确定电动机的不对称运行，如：三相电压不平衡、单相运行等。为了能突出局部信号，一些研究还对Fourier变换进行了改进，如加窗Fourier变换等。
　　小波分析理论是在20世纪80年代中期提出来的一种新型的时－频域分析工具，它作为一种先进的信号处理技术，给信号加上一个时－频窗口，根据频率自动调节窗口的大小，以确保捕捉到信号中希望得到的有用成分。它在时域、频域同时具有良好的局部化性质，因此比Fourier变换及加窗Fourier变换更为有效，特别适合处理具有奇异性、瞬时性的故障信号。小波变换能对不同的频率成分采用逐渐精细的采样步长，从而可以聚焦到信号的任意细节，尤其是对奇异信号很敏感，能很好地处理微弱或突变信号，因此适合于处理电动机故障特征信号，便于迅速捕获异常状态以采取预防控制或保护措施。
　　文献［13］首先提出了小波理论应用于电力设备状态监测中的思想，提出了基于B小波和Hardy小波的电动机故障检测技术^［14］，为小波理论在大型电动机状态监测和故障诊断中的应用进行了开创性的基础研究工作。目前，这一方向的研究还处在理论和实验研究阶段，进一步的深入研究包括：适合于电动机状态监测和故障诊断的小波母函数选取、小波包算法研究以及故障信号分解与重构、特征量提取、信噪分离等工程应用技术研究。
　　近年来，这一领域的研究还包括人工智能技术^［15］、模糊数学^［16］、神经网络^［17］等先进信号处理方法在电动机故障诊断中的应用研究。由于微机技术非常擅长于实现复杂的算法，因此以上理论研究成果与微机保护的结合可以预期将使大型电动机在线状态检测和故障诊断出现新的突破。
4 基于多回路理论的电动机保护理论
　　大型电动机内部故障定量分析方法的理论突破是实现内部故障早期诊断亟需解决的另一个难题。首先，电动机内部故障机理的研究必须要将电动机故障分析深入到电机绕组内部，由目前的定性分析发展为定量分析，这样才能正确认识电动机故障机理，建立有效的故障判据。另一方面，上节讨论的各种先进信号处理方法的应用也需要电动机内部故障的定量分析结论作为指导和验证，否则难免限于盲目，难以建立起统一有效的故障诊断理论和方法。
　　1987年由清华大学高景德教授、王祥珩教授等建立并发展起来的交流电机多回路理论^{［18～20］}为电机内部故障的定量分析提供了一套全新方法。它突破了理想电机假设，突破了相绕组为基本分析单元的模型，将电机看作由多个相对运动回路组成的电路。多回路理论以每个电机绕组为研究对象，能够考虑多种谐波及绕组不对称等特殊情况，特别适合于研究电机内部故障的机理和定量分析，可望为大型电动机故障的早期诊断与保护提供有效的故障判据。文献［21］应用多回路理论对水轮发电机空载和负载时定子绕组内部故障规律进行了深入研究，文献［22～23］将该方法应用于汽轮发电机定子绕组内部故障规律和保护方案的研究，取得良好效果，显示出良好的发展潜力。在应用多回路理论分析电动机内部故障的研究方面，文献［10～11］首先应用多回路方法理论上对鼠笼电动机导条及端环故障时的定转子电流及运行特性进行了分析计算，进而结合频谱分析方法在线确定鼠笼转子断条故障。文献［24］在分析电动机定子绕组内部短路时的故障电流变化，所采取的方法与多回路理论类似。
　　交流电机多回路理论和前述各种先进信号处理方法实际是取得大型电动机内部故障早期诊断突破的同等重要的两个方面。两者理论研究的突破并结合目前业已成熟的微机保护技术，可以将大型电动机的在线监测、预防控制、缺陷报警、故障诊断、故障保护及事故后故障分析、故障定位等功能综合于一体，实现电动机运行全过程的在线监测、故障诊断与综合保护。这也是这一领域研究所追求的目标。
5 结论
    常规的电动机过流保护只能反映较严重的对称性外部故障，是被动的供电系统保护，就保护电动机而言，这类保护的作用很有限。对称分量法理论在处理电动机外部故障的诊断与保护方面已发展得较为成熟，借助于计算机在数据处理和智能化上的优势，利用微机实现了智能化的综合保护。先进信号处理方法和交流电机多回路理论为处理大型电动机内部故障的早期诊断提供了新的途径，与业已成熟的微机保护技术结合可望产生新的突破。

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