直流电机电枢绕组短路故障的监测分析
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l 0ms内做出反应。
(4）在1ms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
ZRI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
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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，Ea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＜
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