电机绝缘在线监测技术的应用实践

刘进 罗仁江 杨勇(中国石油西南油气田公司天然气净化总厂，重庆 401120)

0 引言

在工业中，交流电机广泛应用于水泵、风机、机床、压缩机等领域。近年来，随着新能源的推广，在风力发电、电动汽车等应用中，交流电机也起到越来越重要的作用。随着交流电机应用的推广，在其运行维护上投入的成本也越来越多。电机故障不仅会导致设备的损害，威胁生产的安全进行，而且电机故障带来的额外停工时间也会造成大量的经济损失。因此，发展故障诊断和监测技术，实现故障预警，有着重要的应用价值。

在交流电机故障中，常见故障类型包括定子故障、轴故障和转子故障，而交流电机定子绕组绝缘故障占比达30%～40%。交流电机在运转中电压波动、频繁启动、停机产生的过电压等，会引起绕组之间出现放电和爬电现象，从而降低绕组绝缘性能。因此对绕组绝缘强度进行实时在线监测，提前预判定子绕组绝缘故障，实现预防性检修，逐渐成为连续性生产企业迫切需要解决的问题。

1 绝缘在线监测技术工作原理

1.1 工作原理

将开关柜内断路器和接地刀闸常闭辅助触点接入主控单元，信号监测单元采集高压断路器和接地刀闸辅助触点(常闭)状态，当控制器检测到断路器和接地刀闸常闭触点处于闭合状态，控制器测量回路电源接通，延时15分钟后，控制器发出检测命令，通过直流信号发出器，在定子绕组和地之间注入直流电压2500V，测量在电机定子绕组中产生的泄漏电流，得出不同时段交流电机定子绕组的绝缘电阻值，通过分析第15秒和第1分钟时的绝缘电阻比值，计算出吸收比；通过分析第1分钟和第10分钟时的绝缘电阻比值，计算出极化指数，最终在控制器上显示电机绝缘值、极化指数、吸收比等参数。通过与预设目标值进行对比，从而判断交流电机定子绕组绝缘介质水平，提前发现定子绕组绝缘降低故障。测试结束后，装置对地放电，保证设备本质安全。如果在测试状态下，现场电机启动运行，控制器检测到断路器或接地刀闸常闭触点状态变为常开，立即发出命令，断开真空接触器和测试信号，自动放电，不影响电机正常启运，如图1所示。

图1 绝缘安全保护装置接线图

1.2 绝缘监测系统组成

绝缘在线监测系统主要包括数据采集单元、本地服务器和监控平台。数据采集单元由信号单元、带电传感器、单级交流真空接触器、主控单元和监控系统组成。数据采集系统检测装置安装在10kV开关柜中，监控电机的绝缘值、吸收比、极化指数，监测数据既可以在主控单元上就地直观显示和故障报警，也可以通过光纤将采集的数据传输至本地服务器，在本地服务器中建立数据库，存储每次测试数据，形成历史数据库。通过仪表DCS组态，可以在工程师站上实时显示每台交流电机的生命值数据，同时也可以建立历史数据报表、交流电机定子绕组绝缘值曲线图和绝缘介质曲线图，叠加两种曲线，结合大数据库，评估交流电机剩余寿命，如图2所示。

图2 绝缘监测系统组成

2 应用实践

2.1 现状调查

天然气净化厂循环水泵交流电机净化装置大，高压交流电机数量多，自投入运行以来，先后多次发生交流电机定子绕组绝缘故障，在生产运行过程中因绝缘降低易引起相间拉弧放电，出现过严重短路故障，造成了系统电网波动，影响装置正常生产。尤其是循环水系统水泵电机长期运行于潮湿环境中，每年大修检查时均发现定子绕组中存在电晕现象。

10kV电机故障主要包括机械故障和绝缘故障，投产以来，累计发生故障12次电机故障。从统计数据分析，电机绕组故障占高压电机故障58%，尤其是循环水泵电机绕组故障，投产以来累计出现过4次绕组绝缘不合格现象，其中一次还造成10kV系统电压波动，净化装置动设备闪停。

2.2 存在问题

现有高压电机绕组绝缘检测手段主要每年大修检维修中心调试班人员打开电机接线盒对电动机进行一次全面检测，使用机械式兆欧表测量电动机绕组绝缘，从而判断电动机的健康状态。使用机械式兆欧表只能对绕组绝缘进行定性，不能精确测量反应绕组的重要参数(极化指数和吸收比)，同时还不能实现实时在线连续监测。

现有监测高压电机绕组绝缘方式主要存在以下缺点。

(1)故障发现不及时，后果较为严重，例如循环水泵P-3101B绕组绝缘过低，出现短路接地故障，引发10kV系统电压波动，导致48台低压设备停运，影响装置正常生产。

(2)根据管理制度要求开展人工检测，检测次数少，不能实现电机绕组绝缘在线实时监测。

(3)人工检测，检维修人员需要进行停电、隔离和验电操作，反复打开电机接线盒，拆接电机接线柱，工作量大，操作程序复杂繁琐，同时，可能存在损坏电机接线柱风险。

(4)检测时人员进入到空间受限的高压开关柜线缆室内开展检测作业，存在触电风险。

2.3 新技术应用

将真空接触器、带电传感器和信号发生器安装在现有10kV开关柜线缆室，将主控单元安装在10kV开关柜二次室，从电机加热回路取220VAC电源作为控制器电源，通过10kV真空断路器和接地刀闸辅助触点控制主控单元检测回路电源接通。

为了实时监测交流电机定子绕组绝缘状况(如图3所示)，在循环水泵电机配电柜中引入了绝缘在线监测系统，将检测设备接入其中任意一相出线电缆中，在系统停机时，采用单次测量方式对电机回路绝缘进行检测，通过主控单元就地显示电机的绝缘电阻值、吸收比和极化指数。在安装调试过程中就发现了循环水泵电机绝缘过低，通过人工检测对比，检查发现因接线盒受潮导致电机回路绝缘过低，不能继续使用，需要做绝缘加强处理，实现预防性检修，有效避免了损失进一步扩大。

图3 电机绕组绝缘监测趋势图

2.4 取得的成果

与使用兆欧表人工检测电机绕组绝缘相比，在线检测方法省去了停送电操作、打开电机接线盒，拆除高压电缆等繁琐的操作步骤，检测时间大大缩短。目前检测频次每年由人工检测的4次增加到48次，同时可以根据需要自行调整检测频次。采用绝缘在线监测装置实现电机绕组绝缘自动检测，提升了电气设备自动化监测水平，不仅增加检测频次，同时还降低了检测劳动强度，节约了人工检测成本。通过实施电机绕组绝缘在线监测，技术管理人员可以通过数据分析及时发现绝缘降低趋势和实时绝缘值，提前预警，提醒技术管理人员及时安排电机维护保养，将故障消除在萌芽状态，防止故障扩大，发展成为短路或接地故障，从而引发10kV系统电压波动。保证溶液循环泵等主要动设备安全长周期运行，避免净化装置联锁停车，原料气放空，确保川渝两地安全平稳供气。

2.5 遗留问题

接下来，计划将所有10kV交流电机绝缘监测装置采集到数据上传至本地物联网服务器，在物联网系统组态显示，同时在手机APP中显示，利用绝缘在线监测装置可以监测每台电机的绝缘值、吸收比、极化指数，根据采集到的数据，自动生成电机绕组绝缘、吸收比和极化指数趋势图，技术管理人员可以根据趋势图判断电机绝缘状态和绝缘介质老化程度，通过与预设基准数值进行比较，分析判断交流电机绝缘状态，当电机绝缘低于预设值时，系统自动报警，推送报警信息，提醒技术管理人员安排检修，实现了故障提前预警和预防性检修的目的。绝缘在线监测装置投入运行后，发现主控单元通讯模块稳定性较差。目前，一共有3套设备主控单元因控制板散热不良，出现了通讯中断故障，技术人员将与设备厂家沟通交流，共同解决通讯模块稳定性问题。

3 结语

交流电机绕组绝缘在线监测技术能够实现定子绕组绝缘实时在线监测，克服了过去使用传统机械式兆欧表进行人工检测的繁琐程序，可以有效降低劳动强度，提供了更为及时、准确、真实、针对性更强的智能化电气设备检测手段，对提高电力设备运行安全水平，及时发现交流电机绕组故障隐患，保障净化装置安全平稳运行，避免非计划性停车有着积极的作用。随着云技术和大数据时代的到来，绝缘监测技术发展已进入新时代，检测设备更智能化、小型化，不仅仅局限于单一设备检测，而是能够实现电力系统绝缘在线实时检测、故障预警和定位，实现电气设备故障数据共享，利用大数据分析绝缘监测数据，进一步提升绝缘监测技术可靠性，真正实现电气设备预防性检修。