電機絕緣在線監測技術的應用實踐

劉進 羅仁江 楊勇(中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠，重慶 401120)

0 引言

在工業中，交流電機廣泛應用于水泵、風機、機床、壓縮機等領域。近年來，隨著新能源的推廣，在風力發電、電動汽車等應用中，交流電機也起到越來越重要的作用。隨著交流電機應用的推廣，在其運行維護上投入的成本也越來越多。電機故障不僅會導致設備的損害，威脅生產的安全進行，而且電機故障帶來的額外停工時間也會造成大量的經濟損失。因此，發展故障診斷和監測技術，實現故障預警，有著重要的應用價值。

在交流電機故障中，常見故障類型包括定子故障、軸故障和轉子故障，而交流電機定子繞組絕緣故障占比達30%～40%。交流電機在運轉中電壓波動、頻繁啟動、停機產生的過電壓等，會引起繞組之間出現放電和爬電現象，從而降低繞組絕緣性能。因此對繞組絕緣強度進行實時在線監測，提前預判定子繞組絕緣故障，實現預防性檢修，逐漸成為連續性生產企業迫切需要解決的問題。

1 絕緣在線監測技術工作原理

1.1 工作原理

將開關柜內斷路器和接地刀閘常閉輔助觸點接入主控單元，信號監測單元采集高壓斷路器和接地刀閘輔助觸點(常閉)狀態，當控制器檢測到斷路器和接地刀閘常閉觸點處于閉合狀態，控制器測量回路電源接通，延時15分鐘后，控制器發出檢測命令，通過直流信號發出器，在定子繞組和地之間注入直流電壓2500V，測量在電機定子繞組中產生的泄漏電流，得出不同時段交流電機定子繞組的絕緣電阻值，通過分析第15秒和第1分鐘時的絕緣電阻比值，計算出吸收比；通過分析第1分鐘和第10分鐘時的絕緣電阻比值，計算出極化指數，最終在控制器上顯示電機絕緣值、極化指數、吸收比等參數。通過與預設目標值進行對比，從而判斷交流電機定子繞組絕緣介質水平，提前發現定子繞組絕緣降低故障。測試結束后，裝置對地放電，保證設備本質安全。如果在測試狀態下，現場電機啟動運行，控制器檢測到斷路器或接地刀閘常閉觸點狀態變為常開，立即發出命令，斷開真空接觸器和測試信號，自動放電，不影響電機正常啟運，如圖1所示。

圖1 絕緣安全保護裝置接線圖

1.2 絕緣監測系統組成

絕緣在線監測系統主要包括數據采集單元、本地服務器和監控平臺。數據采集單元由信號單元、帶電傳感器、單級交流真空接觸器、主控單元和監控系統組成。數據采集系統檢測裝置安裝在10kV開關柜中，監控電機的絕緣值、吸收比、極化指數，監測數據既可以在主控單元上就地直觀顯示和故障報警，也可以通過光纖將采集的數據傳輸至本地服務器，在本地服務器中建立數據庫，存儲每次測試數據，形成歷史數據庫。通過儀表DCS組態，可以在工程師站上實時顯示每臺交流電機的生命值數據，同時也可以建立歷史數據報表、交流電機定子繞組絕緣值曲線圖和絕緣介質曲線圖，疊加兩種曲線，結合大數據庫，評估交流電機剩余壽命，如圖2所示。

圖2 絕緣監測系統組成

2 應用實踐

2.1 現狀調查

天然氣凈化廠循環水泵交流電機凈化裝置大，高壓交流電機數量多，自投入運行以來，先后多次發生交流電機定子繞組絕緣故障，在生產運行過程中因絕緣降低易引起相間拉弧放電，出現過嚴重短路故障，造成了系統電網波動，影響裝置正常生產。尤其是循環水系統水泵電機長期運行于潮濕環境中，每年大修檢查時均發現定子繞組中存在電暈現象。

10kV電機故障主要包括機械故障和絕緣故障，投產以來，累計發生故障12次電機故障。從統計數據分析，電機繞組故障占高壓電機故障58%，尤其是循環水泵電機繞組故障，投產以來累計出現過4次繞組絕緣不合格現象，其中一次還造成10kV系統電壓波動，凈化裝置動設備閃停。

2.2 存在問題

現有高壓電機繞組絕緣檢測手段主要每年大修檢維修中心調試班人員打開電機接線盒對電動機進行一次全面檢測，使用機械式兆歐表測量電動機繞組絕緣，從而判斷電動機的健康狀態。使用機械式兆歐表只能對繞組絕緣進行定性，不能精確測量反應繞組的重要參數(極化指數和吸收比)，同時還不能實現實時在線連續監測。

現有監測高壓電機繞組絕緣方式主要存在以下缺點。

(1)故障發現不及時，后果較為嚴重，例如循環水泵P-3101B繞組絕緣過低，出現短路接地故障，引發10kV系統電壓波動，導致48臺低壓設備停運，影響裝置正常生產。

(2)根據管理制度要求開展人工檢測，檢測次數少，不能實現電機繞組絕緣在線實時監測。

(3)人工檢測，檢維修人員需要進行停電、隔離和驗電操作，反復打開電機接線盒，拆接電機接線柱，工作量大，操作程序復雜繁瑣，同時，可能存在損壞電機接線柱風險。

(4)檢測時人員進入到空間受限的高壓開關柜線纜室內開展檢測作業，存在觸電風險。

2.3 新技術應用

將真空接觸器、帶電傳感器和信號發生器安裝在現有10kV開關柜線纜室，將主控單元安裝在10kV開關柜二次室，從電機加熱回路取220VAC電源作為控制器電源，通過10kV真空斷路器和接地刀閘輔助觸點控制主控單元檢測回路電源接通。

為了實時監測交流電機定子繞組絕緣狀況(如圖3所示)，在循環水泵電機配電柜中引入了絕緣在線監測系統，將檢測設備接入其中任意一相出線電纜中，在系統停機時，采用單次測量方式對電機回路絕緣進行檢測，通過主控單元就地顯示電機的絕緣電阻值、吸收比和極化指數。在安裝調試過程中就發現了循環水泵電機絕緣過低，通過人工檢測對比，檢查發現因接線盒受潮導致電機回路絕緣過低，不能繼續使用，需要做絕緣加強處理，實現預防性檢修，有效避免了損失進一步擴大。

圖3 電機繞組絕緣監測趨勢圖

2.4 取得的成果

與使用兆歐表人工檢測電機繞組絕緣相比，在線檢測方法省去了停送電操作、打開電機接線盒，拆除高壓電纜等繁瑣的操作步驟，檢測時間大大縮短。目前檢測頻次每年由人工檢測的4次增加到48次，同時可以根據需要自行調整檢測頻次。采用絕緣在線監測裝置實現電機繞組絕緣自動檢測，提升了電氣設備自動化監測水平，不僅增加檢測頻次，同時還降低了檢測勞動強度，節約了人工檢測成本。通過實施電機繞組絕緣在線監測，技術管理人員可以通過數據分析及時發現絕緣降低趨勢和實時絕緣值，提前預警，提醒技術管理人員及時安排電機維護保養，將故障消除在萌芽狀態，防止故障擴大，發展成為短路或接地故障，從而引發10kV系統電壓波動。保證溶液循環泵等主要動設備安全長周期運行，避免凈化裝置聯鎖停車，原料氣放空，確保川渝兩地安全平穩供氣。

2.5 遺留問題

接下來，計劃將所有10kV交流電機絕緣監測裝置采集到數據上傳至本地物聯網服務器，在物聯網系統組態顯示，同時在手機APP中顯示，利用絕緣在線監測裝置可以監測每臺電機的絕緣值、吸收比、極化指數，根據采集到的數據，自動生成電機繞組絕緣、吸收比和極化指數趨勢圖，技術管理人員可以根據趨勢圖判斷電機絕緣狀態和絕緣介質老化程度，通過與預設基準數值進行比較，分析判斷交流電機絕緣狀態，當電機絕緣低于預設值時，系統自動報警，推送報警信息，提醒技術管理人員安排檢修，實現了故障提前預警和預防性檢修的目的。絕緣在線監測裝置投入運行后，發現主控單元通訊模塊穩定性較差。目前，一共有3套設備主控單元因控制板散熱不良，出現了通訊中斷故障，技術人員將與設備廠家溝通交流，共同解決通訊模塊穩定性問題。

3 結語

交流電機繞組絕緣在線監測技術能夠實現定子繞組絕緣實時在線監測，克服了過去使用傳統機械式兆歐表進行人工檢測的繁瑣程序，可以有效降低勞動強度，提供了更為及時、準確、真實、針對性更強的智能化電氣設備檢測手段，對提高電力設備運行安全水平，及時發現交流電機繞組故障隱患，保障凈化裝置安全平穩運行，避免非計劃性停車有著積極的作用。隨著云技術和大數據時代的到來，絕緣監測技術發展已進入新時代，檢測設備更智能化、小型化，不僅僅局限于單一設備檢測，而是能夠實現電力系統絕緣在線實時檢測、故障預警和定位，實現電氣設備故障數據共享，利用大數據分析絕緣監測數據，進一步提升絕緣監測技術可靠性，真正實現電氣設備預防性檢修。