低壓電機回路絕緣在線監(jiān)測技術(shù)推廣與應(yīng)用

劉進(jìn) 黃元學(xué) 楊勇

摘要：電動機是工礦企業(yè)生產(chǎn)中重要的動力設(shè)備，工廠不乏重要類別的關(guān)鍵電機，電動機在運行過程中可能因絕緣性能下降而導(dǎo)致意外停機、容易缺相或者漏電，造成燒電機等情況，帶來嚴(yán)重生產(chǎn)事故。當(dāng)一臺用電設(shè)備對地絕緣強度低于在安全值以下時，會導(dǎo)致設(shè)備漏電，在損壞自身設(shè)備和其他相關(guān)設(shè)備的同時，還會對一些接觸到該設(shè)備的不知情人員造成傷害。當(dāng)前業(yè)內(nèi)采用的方式是斷電后人工用搖表對電機進(jìn)行絕緣測試，而這種方式往往由于設(shè)備過多、人工打搖表方式繁瑣等因素影響工作效率，使得運行人員來不及檢修就違規(guī)投運，造成不必要的損失。本文結(jié)合低壓電動機特性，介紹一種適合低壓電機的回路絕緣在線監(jiān)測技術(shù)。

關(guān)鍵詞：低壓電動機；監(jiān)測；壽命評估；故障

DOI：10.12433/zgkjtz.20233350

一、電機現(xiàn)狀調(diào)查及設(shè)備維修的局限性

（一）現(xiàn)狀調(diào)查

天然氣凈化廠的關(guān)鍵電機設(shè)備均采用“一用一備”的方式，單臺設(shè)備運行周期為1～2個月，到期后會倒換至備用電機運行。四川省遂寧地區(qū)位于盆地中部，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛、溫?zé)岢睗瘛溆秒姍C在備停期間常會有絕緣降低的現(xiàn)象發(fā)生，因為備停時間較長，難以組織運維人員按時通過人工打搖表的方式監(jiān)測電機絕緣，使得對備停期間的電機絕緣狀況無法掌握，增加了突發(fā)性倒換設(shè)備時的風(fēng)險系數(shù)。

（二）傳統(tǒng)設(shè)備維修的局限性

傳統(tǒng)的設(shè)備維修方式主要包括定期維修、事后維修以及故障搶修等，其中主要方式是定期維修。定期維修是按規(guī)定的設(shè)備維修間隔期（壽命單位）實施的維修。定期維修是預(yù)防性維修的方式之一，隨著設(shè)備自動化程度的提升和各種在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，定期維修的局限性越來越明顯。

1.不必要的維修可能增加機組故障率，影響設(shè)備的性能或質(zhì)量

一臺機組（或一個系統(tǒng)）本來是穩(wěn)定的，一旦進(jìn)行拆解維修，可能破壞機組原本的穩(wěn)定狀態(tài)。拆解維修本身很可能誘發(fā)設(shè)備早期故障，特別是大型復(fù)雜機組。

2.定期大修可能浪費大量人力和物力

大型復(fù)雜設(shè)備與系統(tǒng)，每次拆解維修需要耗費大量的人力和物力，而恰當(dāng)?shù)念A(yù)防性維修，則可以顯著提高維修的效益。

3.產(chǎn)生過剩維修的缺陷

設(shè)備不分主次，一律執(zhí)行定期計劃維修，原來磨合很好的零部件被反復(fù)重新裝配，設(shè)備在不必要的更換、拆卸過程中損壞，產(chǎn)生過剩維修的缺陷。

4.降低設(shè)備使用壽命

定期大修必然會降低設(shè)備使用壽命，特別是頻繁的定期拆解大修。拆解大修會使材料的強度降低，而拆解大修后再次起動，又增加了材料的疲勞損壞。

5.缺乏針對性

不論設(shè)備狀態(tài)如何，都按定期計劃重新校裝，雖然起到一定的預(yù)防作用，但沒有對癥下藥，治標(biāo)不治本，具有盲目維修的成分，造成不必要的人、財、物的浪費。

二、監(jiān)測系統(tǒng)概述

繞組絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)是以完善企業(yè)設(shè)備運維體系建設(shè)為中心，提高設(shè)備管理水平，強化重要位置電機的絕緣監(jiān)測。系統(tǒng)以預(yù)防故障為目的，在關(guān)鍵電機回路安裝絕緣自動檢測裝置，在后臺布設(shè)YG4000電機回路絕緣故障防控及壽命評估系統(tǒng)，整個系統(tǒng)施工簡潔、集中度高、運行穩(wěn)定、靈活可擴展。每個電力室的高、低壓電機絕緣檢測裝置數(shù)據(jù)從現(xiàn)場傳輸至本系統(tǒng)（YG4000），后期在該系統(tǒng)下隨時增加擴展其他測點（包括絕緣檢測設(shè)備以外的任意設(shè)備的數(shù)據(jù)）。提供設(shè)備運維信息數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計、預(yù)警功能，目標(biāo)是將設(shè)備運維管理體系落實為可實施、可傳承和可提升的信息操作平臺，作為數(shù)字化設(shè)備管理的有效補充和完善。

該系統(tǒng)將企業(yè)運維管理思想和規(guī)范通過信息化固化，將設(shè)備運維相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、計劃、任務(wù)、執(zhí)行、處理、分析、數(shù)據(jù)存檔等信息細(xì)化為可操作的流程化管理，突出體現(xiàn)為可實施、可管控、可評估和可分析，通過信息化實施的過程完善運維體系的管理深度和覆蓋面，達(dá)到設(shè)備運維管理的傳承和提升。整體原則是各功能系統(tǒng)要做到專業(yè)成熟與數(shù)據(jù)融合，盡量使用現(xiàn)有資源，在覆蓋不足的部分進(jìn)行延伸布局。

通過自動化監(jiān)測實現(xiàn)安全可靠地獲取電機絕緣值、吸收比、極化指數(shù)，節(jié)約人力、物力、財力。

從配電室通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到絕緣監(jiān)測系統(tǒng)中，直接獲取電機的絕緣檢測數(shù)據(jù)，建立曲線模擬圖體現(xiàn)出電機從新到舊的變化趨勢。

預(yù)測評估電機在正常狀態(tài)下使用的剩余壽命，判斷電機年限。

無線與觸摸屏結(jié)合的方式使得檢修人員隨時隨地能了解電機的絕緣狀況和絕緣介質(zhì)的老化程度。

后臺系統(tǒng)可通過數(shù)字變紅、微信通知、短信等報警方式提示檢修人員故障發(fā)生。

三、系統(tǒng)的主要技術(shù)應(yīng)用

（一）低壓電機絕緣安全保護(hù)單元

結(jié)合低壓電機數(shù)量眾多，但是電壓等級不高等特性，本項目采用多通道的監(jiān)測設(shè)備，即一臺設(shè)備可以同時監(jiān)測多臺電機回路的絕緣情況，能有效簡化施工量和降低投入成本。

1.當(dāng)?shù)蛪弘姍C停機時，在其定子與地之間注入直流電壓，測量電機中產(chǎn)生的泄露電流。

2.檢測低電壓機停機狀態(tài)及帶電狀態(tài)，判斷是否停機擇機監(jiān)測。

3.直啟電機采用帶電方式，可簡化監(jiān)測方式，實現(xiàn)智能化。

4.通過吸收比判斷出絕緣介質(zhì)的劣化程度。

5.循環(huán)監(jiān)測適用于長期停機，每間隔設(shè)定時間自動監(jiān)測一次。

6.定頻檢監(jiān)測適用于頻繁啟停電機，每間隔次數(shù)自動監(jiān)測一次。

7.體積小可置于電氣控制柜中。

8.RS485和模擬輸出適合接入不同系統(tǒng)中。

（二）技術(shù)原理

低壓允測條件：低壓電機檢測單元的測試信號為DC500V（電流小于1mA），測試信號線接至電機動力電纜A、B、C其中任意一相，同時具有帶電檢測功能，判定電機是否停機。取電機回路接觸器輔助觸點做允測信號，判定電機是否停機。

確保停機后，根據(jù)設(shè)置的延時檢測時間（因電機剛停下后處于熱態(tài)，需冷卻至室溫后檢測）啟動檢測。先自動對地放電，由檢測單元產(chǎn)生DC500V測試信號（電流小于1mA），測試信號線接到電機動力電纜A、B、C其中任意一相，測試信號通過電機動力電纜傳輸至電機繞組，形成繞組對地的絕緣檢測回路。低壓電機按照國標(biāo)單次檢測時間為1分鐘，才可以得出吸收比（即R60s和R15s的比值）。1分鐘檢測時間結(jié)束后，檢測單元再次自動對地放電，進(jìn)入下一循壞檢測倒計時（循壞時間可任意設(shè)置）。

對于變頻或軟起的低壓電機，需要在變頻或軟起的低電壓機出線端加裝交流接觸器。因為停機以后變頻或軟起部位內(nèi)部的IGBT本身具有10mA左右的泄露電流，會導(dǎo)致測試信號擴散至整個電網(wǎng)系統(tǒng)，所以檢測是需要將電機和變頻/軟起部位完全脫開。

（三）吸收比、極化指數(shù)

預(yù)防性監(jiān)控是變壓器或電動機日常運維管理工作中的重要環(huán)節(jié)之一，是保證設(shè)備系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的有效手段。在繞組回路絕緣測試中，某一時刻的絕緣電阻值不能全面反映設(shè)備絕緣性能的優(yōu)劣。其原因主要包括兩方面：一方面是同樣性能的絕緣材料，體積大時呈現(xiàn)的絕緣電阻小，體積小時呈現(xiàn)的絕緣電阻大；另一方面是絕緣材料在加上高壓后均存在對電荷的吸收過程和極化過程。所以，電力系統(tǒng)要求在主變壓器、電纜、電機等許多場合的絕緣測試中測量吸收比和極化指數(shù)（即R60s和R15s的比值與R10m和R1m的比值），以此數(shù)據(jù)判定絕緣狀況的優(yōu)劣。

因此，利用監(jiān)測系統(tǒng)測量繞組對機殼及繞組之間的絕緣電阻，通過電機絕緣介質(zhì)的吸收比、極化指數(shù)來判斷繞組絕緣劣化程度，是簡便且不會對繞組絕緣產(chǎn)生次生損傷的絕緣測試方式，可作為判斷繞組絕緣是否嚴(yán)重受潮或損壞的依據(jù)。

四、監(jiān)測系統(tǒng)的軟件功能

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三層結(jié)構(gòu)，即底層監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)無線傳輸層和遠(yuǎn)程服務(wù)器層。

采用4G無線傳輸?shù)姆绞骄C合成本更低，性能更穩(wěn)定。采用無線監(jiān)控可以擺脫線纜的束縛，安裝維護(hù)方便，擴容能力強。4G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，可擴展性好，即插即用。管理人員迅速將新的無線監(jiān)控點加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，不需要為新建傳輸鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)、增加設(shè)備，輕而易舉地實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。

維護(hù)費用低：無線監(jiān)控維護(hù)由網(wǎng)絡(luò)提供商維護(hù)，前端設(shè)備是即插即用、免維護(hù)系統(tǒng)。無線監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控和無線傳輸技術(shù)的結(jié)合，將不同地點的現(xiàn)場信息實時通過無線通訊手段傳送到無線監(jiān)控中心，并自動形成數(shù)據(jù)庫便于檢索。

數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：絕緣值（電機回路的絕緣）、吸收比、極化指數(shù)（電機絕緣介質(zhì)的劣化程度）、生命值（通過百分比的方式體現(xiàn)電機的剩余壽命）、測試時間、測試狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集：將配電柜中電機生命值（絕緣）檢測裝置的485通訊總線方式采集并傳輸出去至絕緣后臺系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳：通過4G遠(yuǎn)程傳輸模塊將數(shù)據(jù)送至云端服務(wù)器，并通過4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動終端，可通過手機APP遠(yuǎn)程查看當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。

數(shù)據(jù)存儲分析：建立數(shù)據(jù)庫存儲每次測試數(shù)據(jù)。展現(xiàn)電機回路絕緣值下降曲線圖、電機絕緣介質(zhì)下降曲線圖，疊加兩種曲線分析評估出電機剩余壽命值。根據(jù)設(shè)備、線路從新到舊，依次記錄數(shù)據(jù)，捕捉曲線，總結(jié)經(jīng)驗值為后期分析故障提供依據(jù)。移動終端界面展示，APP、PC電腦、微信同步使用。

五、應(yīng)用實踐

（一）新技術(shù)應(yīng)用

電機回路絕緣故障防控及壽命評估系統(tǒng)包括低壓電機絕緣自動檢測裝置、數(shù)據(jù)采集器、液晶觸摸屏、監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件等組成，是基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在INTERNET（具備遠(yuǎn)程訪問條件下）實時查看分析電機及電纜的絕緣檢測情況（包括絕緣值、吸收比、極化指數(shù)、電機壽命、檢測時間等）。

通過絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時查看分析預(yù)診斷電機出現(xiàn)的絕緣故障，為電機安全運行及科學(xué)維修提供決策支持，優(yōu)化設(shè)備運行管理，推進(jìn)設(shè)備的信息化、智能化管理工作，提升企業(yè)設(shè)備管理的信息化水平和智能化決策能力，確保設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟運行。避免維修不足或維修過剩，在保證設(shè)備運行安全、可靠的前提下，降低維修成本。

（二）預(yù)期達(dá)到的效果

1.自動監(jiān)測。柜內(nèi)的溫度和弧光現(xiàn)象依靠人工巡檢無法提前發(fā)現(xiàn)異常，通過系統(tǒng)提高了設(shè)備安全和工作效率，雖然是一次性投資，但可以減少維護(hù)人員的工作量。

2.提高數(shù)據(jù)的精確性和穩(wěn)定性。人工巡檢和維護(hù)可能會有人為缺失，采集數(shù)據(jù)是間歇性而非連續(xù)的，針對歷史數(shù)據(jù)分析也不如連續(xù)性數(shù)據(jù)完整。

3.人工巡檢發(fā)現(xiàn)和處理故障的反應(yīng)不如自動監(jiān)測及時，對于巡檢人員來說，工作安全性也不如自動監(jiān)測安全。

4.自動監(jiān)測是提前發(fā)現(xiàn)問題并隨時維修，不需要定期檢修，對潛在隱患提前研判，提前進(jìn)行隱患的消除處理。這樣無形中增加了設(shè)備運行時間，給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

（三）案例介紹

例如，在2022年5月進(jìn)行年度大修期間，3200鍋爐房配電室加裝了一批低壓電機生命值（絕緣）檢測裝置，所有檢測數(shù)據(jù)并入原有電機絕緣檢測系統(tǒng)中。在全部安裝完成后，開展設(shè)備調(diào)試過程中就檢測出P-3205C的回路絕緣為“0”，是一個危險的信號，引起大家的高度重視，立即安排人員詳查，結(jié)果電機絕緣正常，檢查出是動力電纜的絕緣破損導(dǎo)致接地，然后立即安排購買新的電纜，迅速更換。如果沒有提前發(fā)現(xiàn)電纜破損接地，后續(xù)將嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)計劃。

六、結(jié)語

綜上所述，建立電機回路絕緣故障防控及壽命評估系統(tǒng)，可以提升設(shè)備運維管理水平，提高日常設(shè)備維護(hù)工作效率和質(zhì)量，動態(tài)評估設(shè)備價值和壽命。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)自動監(jiān)測，故障預(yù)警，提前發(fā)現(xiàn)并處理早期故障缺陷，防止故障進(jìn)一步擴大，影響凈化裝置安全生產(chǎn)，從而更好地提高生產(chǎn)效率和安全管理水平。

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