高立新1，魏厚培2，周志裕3
摘要：本文介绍以振动、电参量、温度为主的直流大电机在线监测系统，并分析电枢绕组短路事故。指出对大型电机的故障监测应以电参数为主、机械参数为辅，可为排除电机故障隐患赢得宝贵时间。
关键词：直流大电机；电枢绕组；振动；监测；事故分析
中图分类号：TM33文献标识码：B
某大电机在设计上有片间电压过高等先天性缺陷，长期以来大电机片间绝缘低下、运转环境差、维护困难、受突发事件影响并且超负荷工作，环火时有发生，严重困扰和制约了轧机轧制能力的正常发挥。
直流电机维护量比交流电机大得多，稍有不慎，就会造成停产。有效进行直流大电机监测诊断是公认的难题。为了逐步积累经验，维护好这类设备，武钢在2002年建立了以振动、电量参数为主的直流电机在线监测系统。
一、系统监测的运行参数
系统通过安装在设备测点的传感器采集振动信号、电参数（电压、电流、励磁电流）与非电参数。工作流程如图1所示。
系统具有以下功能：(1)实时接受前端采集器发来的跳闸数据，作出响应，并自动生成跳闸数据文件（跳闸前3s和后4s数据）。(2)电参数采样周期为0.5ms。(3)在收到外部触发指令的10ms内作出反应，在1ms内对达到报警限的被测信号发出动作指令，完整保存14路信号触发前、后的波形数据，可屏幕动态输出，也可打印输出。(4)以波形方式显示和追忆显示ZR1、ZR2电参数，可局部放大显示。(5)随机监测1#、2#轧机的电参数和振动情况，并生成随机检测数据文件，为故障诊断和事故分析提供依据。
二、事故分析
某ZR1轧机右卷2#电机系日本原产，1976年投产使用，最后一次修理是2001年。2003年2月11日凌晨，该设备发生绕组烧坏的突发事故。
电动机的调速控制系统具有过流、接地、失磁等保护装置和记录电流电压波形的笔式记录仪，事故发生时无报警、无跳闸动作，且电流记录纸上也未见异常波形，而试运行的振动在线监测系统上却有明显的波形突变，本文后续部分将对以上现象进行分析。
1．振动数据分析
故障发生前振动波形如图2、3所示，可以看到，振动特性曲线剧烈跳动，表明电机的输出力矩产生了剧烈波动，这是由转子绕组局部短路所致。
2．电量分析
(1)由图4知，电机电压幅值41.3V，平均值28V，工作电压不高，过电压击穿的可能性不大。
(2)轧第三道时的线速度为200m/min左右，不存在机械转速超高，离心力过大造成的破坏。由图5知，激磁电流为35A，也不存在失磁超速的可能性。
(3)电机使用年限较长（27年），绝缘材料老化。
(4)超过额定电流工作的情况时有发生，加上武汉地区夏季环境温度高，致使电机处于较高温升下工作，加速了绝缘老化。虽然发生事故时不在夏天，但早已留下隐患。
(5)以往检修施工时可能受到外力损伤。
(6)进风口可能吸入细小金属物，致绝缘损坏。
综上分析可见，本次事故属于电气事故。
实物观察发现，故障点位于转子的非整流子端。虽然转子、定子都不同程度地受到损坏，但转子要严重得多，短路首先由转子引起，燃起的电弧伤及定子。
从烧损的情况看，绕组元件的端部连接头套并未烧熔，电枢槽口的绝缘楔条并未烧掉，因此短路点不应在线槽之内，而应在槽口与元件的焊接头之间的无纬带下面两个迭绕元件上下层交迭处。
如图6所示，设在A点上下层绕组之间绝缘损坏发生短路，则元件7的上边（实线部分）与元件6的下边（虚线部分）构成一个短路环，（如粗线圈成的框），此短路环切割电机磁场时，将产生感应电势，虽然感应电势不高，但短路部分的电阻很小，所以仍将产生很大的感应交变电流，在短接处燃起电弧，进而烧坏其他绕组的绝缘，使事故进一步扩大。
3．对其它影响因素的分析
(1)过压保护分析
由图7知，电机电压幅值为42.2V，平均值为26V，大大低于额定工作电压，故过电压保护不会动作。
(2)过流保护分析
电枢电流在电机正常运行时，不会产生过电流；当电枢局部线圈短路时，在电枢绕组的并联支路中，局部绕组短路支路的电阻降低并不多，而大部分未短路的绕组仍能产生较大的反电势，因而并未造成主电路直流猛增，故而过电流保护未动作。
造成事故的原因主要是因为在局部短路绕组中形成了极大的交流感应电流。
(3)失磁保护分析
由图8知，激磁电流维持在44A左右，并未发生失磁的情况，故失磁保护未动作。
(4)接地保护分析
由于短路故障始发于无纬缠绕线下两个迭绕组上下交迭处，并不在铁芯槽内，一开始并不会构成接地，故接地保护未动作。如事故进一步扩大至槽内，可能会造成接地，此时可对事故电机进行测量，如事故扩大后确已造成接地，而接地保护仍未动作，则应检查控制系统接地保护的灵敏度及可靠性。
4．维护建议
(1)电机处于超额定值工作的时间太长，将对电机寿命产生极其不利的影响，应当避免。
(2)年修时对电机的检修除清沟、倒角、换电刷等常规工作外，要着重检查和恢复电机绕组的绝缘。
三、结论
1．直流大电机振动在线监测系统已经监测到设备运行不正常的情况，点检人员对振动信号所包含的故障应予掌握，以防止事故扩大。
2．对大型电机的故障监测应以电参数为主、机械参数为辅。电气故障具有突发性，预警时间极短，电参数有异常时往往已到事故晚期，而机械参数发生异常通常较早，可以为发现电机隐患赢得宝贵时间。
参考文献：
虞和济，韩庆大，李沈等．设备故障诊断．冶金工业出版社，2001.
高立新．直流大电机在线监测诊断系统．大电机技术，2002，6.