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[摘 要] 文章重点介绍电机的热过载及超前报警保护。
[关键词] 电机测温 热过载 超前报警
1 电机过热简述
1.1 电机过热特点
(1)电机设计效率为80%～96%,其余为能量转换过程中在电机内形成损耗——绕组铜耗(电阻损耗)、铁心铁损(磁滞和涡流损耗)、旋转风摩损耗(摩擦和通风损耗)等。一般功率越小的电机,损耗所占比例越大。
(2)电机损耗——使电机部件发热,这是不可避免的正常发热,并且基本恒定在一定范围内,(随着部件的老化,损耗将增加)。
(3)不正常的发热是由电机故障引起的,其中:绕组故障、轴承故障、绝缘故障、换向故障都会伴随过热,振动故障也会产生一定热量。
(4)故障过热具有:能量集中、在较短时间内就导致部件迅速过热的特征。
1.2 电机过热部位
(1)按照电磁转换角度区分,过热的部位包括绕组和铁心。
(2)按照旋转摩擦角度区分,过热的部位有轴承、滑环、换向器。
(3)按照能量传递角度区分,过热的部位除了轴承、滑环、换向器外,还有接线端和电刷。
1.3 电机过热原因
(1)轴承润滑脂过多或过少、缺油、轴承负荷过大;轴承内、外圈、滚动体或保持架早期、晚期损伤;轴瓦润滑油温不正常;轴瓦间隙过小;轴瓦供油不良;气隙不对称、对中不良;轴电流较大等都会导致轴承发热。
(2)轴承转动不良;绕组接线处故障、匝间或层间短路;缺相运行、电压或电流不平衡;电网电压波动或过高、电源谐波分量较大;电机过负载;转子偏心、断条、匝间短路、开焊等;风道堵塞、自冷扇叶缺损;冷却介质温度偏高;局部铁心损坏、短路、铁损过大、定转子铁心摩擦等都会导致绕组发热。
(3)气隙不对称、对中不良;铁心片间短路、局部铁心损坏;高次谐波较严重;铁损过大;绕组短路;电网电压波动;风道堵塞、风扇缺损;冷却介质温度不正常等都会导致铁心发热。
(4)冷却介质温度过高;风扇缺损;风道堵塞。转子偏心、断条、转子匝间短路、开焊等;定子绕组短路;磁极线圈短路;电网电压过高、过负载等会导致出风口温度升高(出风口是一个监测发热的部位)。
可见,不同部位过热所反映的故障是很多的,也是经常遇到的。
2 电机过热故障与测温
(1)在电机故障中:过热和振动两大故障足最常见和最多的,其中轴承、绕组由于过热而导致电机烧毁的故障,要比振动故障多得多,它们分别占电机故障的40%。定子绕组故障主要包括匝间短路、过热及绝缘故障。其中,匝间短路故障占定子绕组故障的50%,绕组过热约占20%,而绝缘故障则占到25%左右,这三种故障之间存在着相互关联,可能互为诱因,三者发生后最明显的标志之一是出现局部过热。
(2)振动故障比较直观、故障的恶化相对缓慢、直接或间接反映的故障有限(轴承损坏、轴承室配合不良、轴承装配不良、轴承润滑不良、轴颈弯曲、轴瓦间隙变大、轴心线平行或角度不对中、强迫振动等),容易得到及时处理,故障损失较小。
(3)过热故障原因较多,表现性差、故障恶化较快、过热部位不同其故障原因也有差异,过热现象能够直接或间接反映的故障也是电机最多见和所占比例相当大的故障,处理不及时,故障损失较大。过热是电机烧毁的最大杀手。
(4)电机故障烧毀:异常发热+检测差距+保护失控。异常发热是故障所致,不是正常的损耗发热,检测差距是指没有检测或没有检测手段,或者检测数据误差太大、时差太大、判断手段太差、保护阙值过高及不合理等。保护失控则是无针对性保护——如过流保护对轴承烧损和大多数绕组损毁的保护效果都不能奏效、保护系统失效。故障烧毁就是这三者的叠加,缺任一环节都不可能导致电机烧毀。
(5)电机常用测温手段
电机常用测温手段见表1。
(6)综前所述,温度测量比较简单,可以分析诊断出许多故障原因,其次,温度的测试传感器与振动、电流的测试传感器相比,技术要简单、尺寸小、“隐性”安装,费用低廉,分析直观,也不受电机类型、容量、电压等级、频率、转速等限制。因此,监测温度成为保证电机正常运行、分析故障原因的重要方法。
3 常规电机热过载保护
(1)温度继电器和温度开关,以及上述热保护器,装在电机内部,根据温度变化使其动作。具有结构简单、动作可靠、保护范围广等优点。但动作缓慢,返回时间长,多用在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面。
(2)电子式电机保护控制装置中的温度保护。也称装入式保护(国外称PTC或NTC,还称电机全保护),是利用安装在电机内部的传感器来实现的。当电机出现各种故障时,都将导致绕组温度升高,达到上限控制值之前,切断电机主控电源。国际上称之为电机全保护装置。
(3)微机监测智能保护。是一种在线监测保护,采用微处理器组成的保护控制装置,当超过设定值时可发出控制动作信号达到保护控制目的。用计算机通过RS232或485接口,远距离监测控制多台电机,实现了集中监测保护控制的目的。
4 超前报警保护
(1)不同类型测温传感器的热响应时间Tps有较大差别,热传递过程的热损失又不尽相同,因此,同一时刻同一部件的温度,使用不同测温传感器反映到测温系统的滞后时间也有较大差别。试验表明,不同测温传感器和不同测温部位,滞后时间最多的相差10～30min。
(2)不同运行工况、冷却条件和故障状态下,绕组最热点不同。测温传感器埋置部位的不同,其测温结果相差甚远,直接关系温度保护的有效性。
(3)对于状态监测,由于征兆发生的部位、数量不同,而且征兆发生的时间也不同,因此最难把握的不仅是故障类型的判断,更困难的是故障采样及分析预测的时机。采样时间早了,故障征兆没有出现或不明显;采样时间晚了,可能故障征兆已成为过去时,无法寻迹,或者故障已经发展到很严重,往往分析诊断还没完成,电机已经烧毁,成为“死后验尸”,失去预知监测的意义。其次,无论足定期的还是不定期的状态监测采样,大多都是时间间隔很长,几天甚至几周采样一次,这样的采样数据仪仪适合于比较稳定的负载情况,对于负载波动较大、温度突然发生变化的工况,既不能监测到两次测温之间的波动数据和最高温度值,更不能及时作出诊断和预警。
(4)温度变化率测量保护
①电机轴承、绕组温度,在正常运行和故障早期时,温度的变化率不大,温度也没达到温度值超限报警的上限,而过负载或故障后期时,温度急剧上升,而温度通常传导比较迟缓,加上传感器热响应时间较长等原因,往往温度值超限报警信号还没发出,在较短的时间内轴承、绕组就已经烧毁,使得安装了温度传感器和报警保护装置的 电机,照样经常发生轴承、绕组烧毀事故。
②温度曲线。常温下,电机的电磁能量转换会产生各种损耗,使电机部件温度升高,而积聚的热量也会通过部件或冷却介质散热。当发热与散热达到平衡状态,温度不再上升而稳定在一个水平上。当发热和散热的平衡状态被破坏,温度就会上升或降低,在另一个温度下达到新的平衡。通常,电机起动正常工作后,电机部件的温度在较短时间内会迅速升高,温度曲线以直线攀升,当发热和散热处于基本平衡后,温度曲线趋于稳定,仅仅在较小的范围内波动。
③如果热稳定状态中的某一部件,温度不断连续增大,表明该部件的热量在迅速积累,散热条件不能平衡产生的热量,温度曲线会陡峭上升。出现这种情况的原因,多数是电机发生严重、快速的过热故障,如严重过载、轴承缺油或晚期损伤、绕组短路、风道阻塞等。温度变化率测量保护方式,就是在极短的时间内,判断出温度变化增量过大,预示已有不平衡的过热故障出现,并在热响应、热传递影响的滞后时间之前,超前发出报警或保护信号,使设备不被烧毁,具有非凡的意义,真正体现出状态预知监测的目的。
④以滚动轴承为例。电机稳定运行时,温度的波动与负载变化、冷却润滑等有关,这些都不会引起温度在短时间内大幅度变化。假设轴承稳定运行温度为50℃,若某一时刻因轴承损伤开始快速升温,1min上升5℃,并按此趋势上升,在不能及时跟踪判断情况下,10min温度上升50℃,15min就会升高75℃。如果上限保护设定为95℃,应在快速升温后9rain时发出保护信号。如果由于传感器热响应时间和热传递原因,延迟5min才将达到95℃的信息发送到保护系统,这时轴承实际温度已超过120℃。应用温度变化率测量保护方式,则根据发展态势,在快速升温后的7min内,发出报警保护信号,这时轴承温度不超过90℃,便于采取措施,避免轴承故障导致的绕组烧毁。
(5)动态采样技术
①现有的温度测量保护方式,无论是巡回检测仪表,还是计算机远程测取数据,都采用固定的采样周期,按设定的采样周期进行间隔数据采集,不能反映每次间隔期间的温度剧烈变化。
②动态采样,则是根据被测对象的温度变化率,自动调整采样周期,即被测对象比较稳定时,采样周期间隔较长,当被测对象变化剧烈时,采样周期间隔自动缩短,可以更精确地检测温度变化状态,使温度测量保护始终处于动态之中。
(6)超前报警保护集合了温度上限、温升、温差和温度变化率的测量保护,其中:
①温度上限和温升的测量保护,是最高温度与零度、最高温度与环境温度数据的绝对值比较,属于纵向检测控制。适合于慢变化热过载、相同部件温度同步卜升的上限监控。
②温差(包括温度差值、温升差值)的测量保护,是数据相互之间的相对值比较,属于横向检测控制。适合于慢变化热过载、相同部件温度不同步上升的平衡监控。
③温度变化率的测量保护、趋势预测,是数据在时间方向的比较判断,属于时间轴方向检测控制。适合于温度快速变化即“快变化热过载”、温度尚未达到上限前的动态监控。
5 效果
(1)测试一台Y132S-4,5.5kW,380V/11.6A,1440r/min异步电动机,两端轴承安装WZPM系列Ptl00铂热电阻测温传感器。将负荷侧轴承中ZL-1锂基润滑脂全部清洗干净,然后添加微量润滑脂。测试环境温度:5～70℃。为缩短试验时间,将负荷侧轴承与非负荷侧轴承温度上限报警、保护阙值设定为50/60℃;温差报警、保护阙值设定为10/15℃。并设定温度变化率报警,采样周期30s。电机运转213min输出变化率保护信号时停机。监测温度数据见表2。
(2)由于负荷侧轴承缺油,尽管输出功率远低于额定功率,仍然发热较快,当两侧轴承检测温度超过10℃时,电机智能自诊断保护装置显示轴承温差报警,超过15℃时,发出轴承温差保护信号。
(3)负荷侧轴承34.6℃后,发出报警信号;39.5℃时,发出保护信号。远低于设定的60℃保护阀值(超前报警保护的温度与设定值有关),不仅可在轴承烧损前获得信息和保护,更有利于故障部位的判断。
(4)采样周期随着温度的升高自动缩短,动态跟踪温度的效果明显。
(5) 电机输出1500W后,负荷侧轴承以<0.5℃/10min的速度慢变化升温,电机智能自诊断保护装置能按设定值比例输出报警或保护信号,使电机部件能够在没有达到许用上限之前就得到有效保护。
[关键词] 电机测温 热过载 超前报警
1 电机过热简述
1.1 电机过热特点
(1)电机设计效率为80%～96%,其余为能量转换过程中在电机内形成损耗——绕组铜耗(电阻损耗)、铁心铁损(磁滞和涡流损耗)、旋转风摩损耗(摩擦和通风损耗)等。一般功率越小的电机,损耗所占比例越大。
(2)电机损耗——使电机部件发热,这是不可避免的正常发热,并且基本恒定在一定范围内,(随着部件的老化,损耗将增加)。
(3)不正常的发热是由电机故障引起的,其中:绕组故障、轴承故障、绝缘故障、换向故障都会伴随过热,振动故障也会产生一定热量。
(4)故障过热具有:能量集中、在较短时间内就导致部件迅速过热的特征。
1.2 电机过热部位
(1)按照电磁转换角度区分,过热的部位包括绕组和铁心。
(2)按照旋转摩擦角度区分,过热的部位有轴承、滑环、换向器。
(3)按照能量传递角度区分,过热的部位除了轴承、滑环、换向器外,还有接线端和电刷。
1.3 电机过热原因
(1)轴承润滑脂过多或过少、缺油、轴承负荷过大;轴承内、外圈、滚动体或保持架早期、晚期损伤;轴瓦润滑油温不正常;轴瓦间隙过小;轴瓦供油不良;气隙不对称、对中不良;轴电流较大等都会导致轴承发热。
(2)轴承转动不良;绕组接线处故障、匝间或层间短路;缺相运行、电压或电流不平衡;电网电压波动或过高、电源谐波分量较大;电机过负载;转子偏心、断条、匝间短路、开焊等;风道堵塞、自冷扇叶缺损;冷却介质温度偏高;局部铁心损坏、短路、铁损过大、定转子铁心摩擦等都会导致绕组发热。
(3)气隙不对称、对中不良;铁心片间短路、局部铁心损坏;高次谐波较严重;铁损过大;绕组短路;电网电压波动;风道堵塞、风扇缺损;冷却介质温度不正常等都会导致铁心发热。
(4)冷却介质温度过高;风扇缺损;风道堵塞。转子偏心、断条、转子匝间短路、开焊等;定子绕组短路;磁极线圈短路;电网电压过高、过负载等会导致出风口温度升高(出风口是一个监测发热的部位)。
可见,不同部位过热所反映的故障是很多的,也是经常遇到的。
2 电机过热故障与测温
(1)在电机故障中:过热和振动两大故障足最常见和最多的,其中轴承、绕组由于过热而导致电机烧毁的故障,要比振动故障多得多,它们分别占电机故障的40%。定子绕组故障主要包括匝间短路、过热及绝缘故障。其中,匝间短路故障占定子绕组故障的50%,绕组过热约占20%,而绝缘故障则占到25%左右,这三种故障之间存在着相互关联,可能互为诱因,三者发生后最明显的标志之一是出现局部过热。
(2)振动故障比较直观、故障的恶化相对缓慢、直接或间接反映的故障有限(轴承损坏、轴承室配合不良、轴承装配不良、轴承润滑不良、轴颈弯曲、轴瓦间隙变大、轴心线平行或角度不对中、强迫振动等),容易得到及时处理,故障损失较小。
(3)过热故障原因较多,表现性差、故障恶化较快、过热部位不同其故障原因也有差异,过热现象能够直接或间接反映的故障也是电机最多见和所占比例相当大的故障,处理不及时,故障损失较大。过热是电机烧毁的最大杀手。
(4)电机故障烧毀:异常发热+检测差距+保护失控。异常发热是故障所致,不是正常的损耗发热,检测差距是指没有检测或没有检测手段,或者检测数据误差太大、时差太大、判断手段太差、保护阙值过高及不合理等。保护失控则是无针对性保护——如过流保护对轴承烧损和大多数绕组损毁的保护效果都不能奏效、保护系统失效。故障烧毁就是这三者的叠加,缺任一环节都不可能导致电机烧毀。
(5)电机常用测温手段
电机常用测温手段见表1。
(6)综前所述,温度测量比较简单,可以分析诊断出许多故障原因,其次,温度的测试传感器与振动、电流的测试传感器相比,技术要简单、尺寸小、“隐性”安装,费用低廉,分析直观,也不受电机类型、容量、电压等级、频率、转速等限制。因此,监测温度成为保证电机正常运行、分析故障原因的重要方法。
3 常规电机热过载保护
(1)温度继电器和温度开关,以及上述热保护器,装在电机内部,根据温度变化使其动作。具有结构简单、动作可靠、保护范围广等优点。但动作缓慢,返回时间长,多用在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面。
(2)电子式电机保护控制装置中的温度保护。也称装入式保护(国外称PTC或NTC,还称电机全保护),是利用安装在电机内部的传感器来实现的。当电机出现各种故障时,都将导致绕组温度升高,达到上限控制值之前,切断电机主控电源。国际上称之为电机全保护装置。
(3)微机监测智能保护。是一种在线监测保护,采用微处理器组成的保护控制装置,当超过设定值时可发出控制动作信号达到保护控制目的。用计算机通过RS232或485接口,远距离监测控制多台电机,实现了集中监测保护控制的目的。
4 超前报警保护
(1)不同类型测温传感器的热响应时间Tps有较大差别,热传递过程的热损失又不尽相同,因此,同一时刻同一部件的温度,使用不同测温传感器反映到测温系统的滞后时间也有较大差别。试验表明,不同测温传感器和不同测温部位,滞后时间最多的相差10～30min。
(2)不同运行工况、冷却条件和故障状态下,绕组最热点不同。测温传感器埋置部位的不同,其测温结果相差甚远,直接关系温度保护的有效性。
(3)对于状态监测,由于征兆发生的部位、数量不同,而且征兆发生的时间也不同,因此最难把握的不仅是故障类型的判断,更困难的是故障采样及分析预测的时机。采样时间早了,故障征兆没有出现或不明显;采样时间晚了,可能故障征兆已成为过去时,无法寻迹,或者故障已经发展到很严重,往往分析诊断还没完成,电机已经烧毁,成为“死后验尸”,失去预知监测的意义。其次,无论足定期的还是不定期的状态监测采样,大多都是时间间隔很长,几天甚至几周采样一次,这样的采样数据仪仪适合于比较稳定的负载情况,对于负载波动较大、温度突然发生变化的工况,既不能监测到两次测温之间的波动数据和最高温度值,更不能及时作出诊断和预警。
(4)温度变化率测量保护
①电机轴承、绕组温度,在正常运行和故障早期时,温度的变化率不大,温度也没达到温度值超限报警的上限,而过负载或故障后期时,温度急剧上升,而温度通常传导比较迟缓,加上传感器热响应时间较长等原因,往往温度值超限报警信号还没发出,在较短的时间内轴承、绕组就已经烧毁,使得安装了温度传感器和报警保护装置的 电机,照样经常发生轴承、绕组烧毀事故。
②温度曲线。常温下,电机的电磁能量转换会产生各种损耗,使电机部件温度升高,而积聚的热量也会通过部件或冷却介质散热。当发热与散热达到平衡状态,温度不再上升而稳定在一个水平上。当发热和散热的平衡状态被破坏,温度就会上升或降低,在另一个温度下达到新的平衡。通常,电机起动正常工作后,电机部件的温度在较短时间内会迅速升高,温度曲线以直线攀升,当发热和散热处于基本平衡后,温度曲线趋于稳定,仅仅在较小的范围内波动。
③如果热稳定状态中的某一部件,温度不断连续增大,表明该部件的热量在迅速积累,散热条件不能平衡产生的热量,温度曲线会陡峭上升。出现这种情况的原因,多数是电机发生严重、快速的过热故障,如严重过载、轴承缺油或晚期损伤、绕组短路、风道阻塞等。温度变化率测量保护方式,就是在极短的时间内,判断出温度变化增量过大,预示已有不平衡的过热故障出现,并在热响应、热传递影响的滞后时间之前,超前发出报警或保护信号,使设备不被烧毁,具有非凡的意义,真正体现出状态预知监测的目的。
④以滚动轴承为例。电机稳定运行时,温度的波动与负载变化、冷却润滑等有关,这些都不会引起温度在短时间内大幅度变化。假设轴承稳定运行温度为50℃,若某一时刻因轴承损伤开始快速升温,1min上升5℃,并按此趋势上升,在不能及时跟踪判断情况下,10min温度上升50℃,15min就会升高75℃。如果上限保护设定为95℃,应在快速升温后9rain时发出保护信号。如果由于传感器热响应时间和热传递原因,延迟5min才将达到95℃的信息发送到保护系统,这时轴承实际温度已超过120℃。应用温度变化率测量保护方式,则根据发展态势,在快速升温后的7min内,发出报警保护信号,这时轴承温度不超过90℃,便于采取措施,避免轴承故障导致的绕组烧毁。
(5)动态采样技术
①现有的温度测量保护方式,无论是巡回检测仪表,还是计算机远程测取数据,都采用固定的采样周期,按设定的采样周期进行间隔数据采集,不能反映每次间隔期间的温度剧烈变化。
②动态采样,则是根据被测对象的温度变化率,自动调整采样周期,即被测对象比较稳定时,采样周期间隔较长,当被测对象变化剧烈时,采样周期间隔自动缩短,可以更精确地检测温度变化状态,使温度测量保护始终处于动态之中。
(6)超前报警保护集合了温度上限、温升、温差和温度变化率的测量保护,其中:
①温度上限和温升的测量保护,是最高温度与零度、最高温度与环境温度数据的绝对值比较,属于纵向检测控制。适合于慢变化热过载、相同部件温度同步卜升的上限监控。
②温差(包括温度差值、温升差值)的测量保护,是数据相互之间的相对值比较,属于横向检测控制。适合于慢变化热过载、相同部件温度不同步上升的平衡监控。
③温度变化率的测量保护、趋势预测,是数据在时间方向的比较判断,属于时间轴方向检测控制。适合于温度快速变化即“快变化热过载”、温度尚未达到上限前的动态监控。
5 效果
(1)测试一台Y132S-4,5.5kW,380V/11.6A,1440r/min异步电动机,两端轴承安装WZPM系列Ptl00铂热电阻测温传感器。将负荷侧轴承中ZL-1锂基润滑脂全部清洗干净,然后添加微量润滑脂。测试环境温度:5～70℃。为缩短试验时间,将负荷侧轴承与非负荷侧轴承温度上限报警、保护阙值设定为50/60℃;温差报警、保护阙值设定为10/15℃。并设定温度变化率报警,采样周期30s。电机运转213min输出变化率保护信号时停机。监测温度数据见表2。
(2)由于负荷侧轴承缺油,尽管输出功率远低于额定功率,仍然发热较快,当两侧轴承检测温度超过10℃时,电机智能自诊断保护装置显示轴承温差报警,超过15℃时,发出轴承温差保护信号。
(3)负荷侧轴承34.6℃后,发出报警信号;39.5℃时,发出保护信号。远低于设定的60℃保护阀值(超前报警保护的温度与设定值有关),不仅可在轴承烧损前获得信息和保护,更有利于故障部位的判断。
(4)采样周期随着温度的升高自动缩短,动态跟踪温度的效果明显。
(5) 电机输出1500W后,负荷侧轴承以<0.5℃/10min的速度慢变化升温,电机智能自诊断保护装置能按设定值比例输出报警或保护信号,使电机部件能够在没有达到许用上限之前就得到有效保护。