刘新起1，李伟2，周志裕3
摘要：直流大电机运行负荷重、工作环境差、维护困难，且常因突发事件造成损害，需要进行在线监测以防止发生恶性事故。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，并分析了电枢绕组短路事故。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。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，而机械参数异常通常可较早发现，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
某大电机有片间电压过高等先天性缺陷，长期以来片间绝缘低下，加上工作环境差、维护困难、超负荷工作及受突发事件影响，环火时有发生，严重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，就会造成电机故障，因此，有效开展直流大电机监测诊断是业界公认的难题。为了逐步积累经验，维护好这类设备，我们在2002年建立了以振动和电量参数为主的直流电机在线监测系统。
系统具有以下功能。
(1)实时接受前端采集机发来的跳闸数据，并作出响应，自动生成跳闸数据文件（跳闸前3s，后4s数据）。
(2)记录电机电参数的采样周期为0.5ms。
(3)收到外部触发指令l0ms内做出反应。
(4)在lms内对达到报警限的被测信号发出动作指令。保存完整的14路信号触发前、后波形数据，可屏幕动态输出，也可用打印机打印输出。
(5)以波形方式显示和追忆显示ZR1、ZR2电参数，可局部放大显示。
(6)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。
一、故障数据的诊断分析
ZR1轧机右卷2#电机系日本原产，1976年投产至今已服役近30年，最后一次修理是2001年。2003年2月11日凌晨，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却出现明显的波形突变。
1．振动数据分析
从故障发生前振动在线监测系统显示的振动波形（见第19页图4、5）可以看到，振动特性曲线剧烈跳动，表明电机的电动力矩产生了剧烈波动，系由转子绕组局部短路所致。
2．电量分析
根据监测系统提供的电压与励磁电流监测结果可知：(1)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。电机激磁电流为35A，也不存在失磁超速的可能性。
因此，初步判断故障与下列因素有关：(1)电机使用年限较长，绝缘老化；(2)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，致使电机常在较高温升下工作，加速了绝缘老化，虽然事故发生时并非夏天，但早已留下隐患；(3)以往检修施工时可能受到外力损伤；(4)进风口可能吸入细小金属物，损坏绝缘。
停机检修发现，故障点位于转子的非整流子端。虽然转子、定子都受到不同程度的损坏，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亦未烧掉，因此短路点不应在线槽之内，而在槽口与元件焊接头之间的无纬带下面两个迭绕元件上下层交迭处。
图1为发生故障的原理示意，图2为电枢绕组原理图（事故电机是八极，此处以四极为例，效果相同）。设在A点上下层绕组之间绝缘损坏而短路，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。此短路环切割电机磁场时产生感应电势，对短路环而言，式中N等于断路线圈匝数的2倍，a=1。虽然感应电势不高，但短路部分的电阻值很小，所以仍将产生很大的电流，在短接处燃起电弧，烧坏其他绕组的绝缘，使事故进一步扩大。
3．其它因素分析
(1)过压保护分析
从直流电机监测系统提供的右卷2#电机电压和励磁电流波形图知，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
电枢电流电机正常运行时，En略低于U，故不会过电流。当电枢局部线圈短路时，因短路的匝数＜＜N，故En降低很少。
如图2所示，在电枢绕组的并联支路中，只有局部绕组短路支路的电阻降低并不多，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，故过电流保护未动作。
造成事故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
由系统提供的右卷2#励磁电流图可知，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
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。但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)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)年修时除清沟、倒角、换电刷等常规工作外，要着重检查、恢复电机绕组的绝缘。
二、结论
含有振动量的直流大电机在线监测系统是轧钢生产线安全可靠运行的保证。
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．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，而机械参数发现异常通常较早，可为发现隐患赢得宝贵的时间。
参考资料：
虞和济，韩庆大，李沈等．设备故障诊断工程．冶金工业出版社，2001年第一版．
高立新．直流大电机在线监测诊断系统．大电机技术，2002/6．哈尔滨大电机研究所，大电机杂志社出版社．