低压电机回路绝缘在线监测技术推广与应用

刘进 黄元学 杨勇

摘要：电动机是工矿企业生产中重要的动力设备，工厂不乏重要类别的关键电机，电动机在运行过程中可能因绝缘性能下降而导致意外停机、容易缺相或者漏电，造成烧电机等情况，带来严重生产事故。当一台用电设备对地绝缘强度低于在安全值以下时，会导致设备漏电，在损坏自身设备和其他相关设备的同时，还会对一些接触到该设备的不知情人员造成伤害。当前业内采用的方式是断电后人工用摇表对电机进行绝缘测试，而这种方式往往由于设备过多、人工打摇表方式繁琐等因素影响工作效率，使得运行人员来不及检修就违规投运，造成不必要的损失。本文结合低压电动机特性，介绍一种适合低压电机的回路绝缘在线监测技术。

关键词：低压电动机；监测；寿命评估；故障

DOI：10.12433/zgkjtz.20233350

一、电机现状调查及设备维修的局限性

（一）现状调查

天然气净化厂的关键电机设备均采用“一用一备”的方式，单台设备运行周期为1～2个月，到期后会倒换至备用电机运行。四川省遂宁地区位于盆地中部，为亚热带湿润季风气候，雨量充沛、温热潮湿。备用电机在备停期间常会有绝缘降低的现象发生，因为备停时间较长，难以组织运维人员按时通过人工打摇表的方式监测电机绝缘，使得对备停期间的电机绝缘状况无法掌握，增加了突发性倒换设备时的风险系数。

（二）传统设备维修的局限性

传统的设备维修方式主要包括定期维修、事后维修以及故障抢修等，其中主要方式是定期维修。定期维修是按规定的设备维修间隔期（寿命单位）实施的维修。定期维修是预防性维修的方式之一，随着设备自动化程度的提升和各种在线监测技术的应用，定期维修的局限性越来越明显。

1.不必要的维修可能增加机组故障率，影响设备的性能或质量

一台机组（或一个系统）本来是稳定的，一旦进行拆解维修，可能破坏机组原本的稳定状态。拆解维修本身很可能诱发设备早期故障，特别是大型复杂机组。

2.定期大修可能浪费大量人力和物力

大型复杂设备与系统，每次拆解维修需要耗费大量的人力和物力，而恰当的预防性维修，则可以显著提高维修的效益。

3.产生过剩维修的缺陷

设备不分主次，一律执行定期计划维修，原来磨合很好的零部件被反复重新装配，设备在不必要的更换、拆卸过程中损坏，产生过剩维修的缺陷。

4.降低设备使用寿命

定期大修必然会降低设备使用寿命，特别是频繁的定期拆解大修。拆解大修会使材料的强度降低，而拆解大修后再次起动，又增加了材料的疲劳损坏。

5.缺乏针对性

不论设备状态如何，都按定期计划重新校装，虽然起到一定的预防作用，但没有对症下药，治标不治本，具有盲目维修的成分，造成不必要的人、财、物的浪费。

二、监测系统概述

绕组绝缘在线监测系统是以完善企业设备运维体系建设为中心，提高设备管理水平，强化重要位置电机的绝缘监测。系统以预防故障为目的，在关键电机回路安装绝缘自动检测装置，在后台布设YG4000电机回路绝缘故障防控及寿命评估系统，整个系统施工简洁、集中度高、运行稳定、灵活可扩展。每个电力室的高、低压电机绝缘检测装置数据从现场传输至本系统（YG4000），后期在该系统下随时增加扩展其他测点（包括绝缘检测设备以外的任意设备的数据）。提供设备运维信息数据分析、统计、预警功能，目标是将设备运维管理体系落实为可实施、可传承和可提升的信息操作平台，作为数字化设备管理的有效补充和完善。

该系统将企业运维管理思想和规范通过信息化固化，将设备运维相关的标准、规范、计划、任务、执行、处理、分析、数据存档等信息细化为可操作的流程化管理，突出体现为可实施、可管控、可评估和可分析，通过信息化实施的过程完善运维体系的管理深度和覆盖面，达到设备运维管理的传承和提升。整体原则是各功能系统要做到专业成熟与数据融合，尽量使用现有资源，在覆盖不足的部分进行延伸布局。

通过自动化监测实现安全可靠地获取电机绝缘值、吸收比、极化指数，节约人力、物力、财力。

从配电室通过无线方式将数据发送到绝缘监测系统中，直接获取电机的绝缘检测数据，建立曲线模拟图体现出电机从新到旧的变化趋势。

预测评估电机在正常状态下使用的剩余寿命，判断电机年限。

无线与触摸屏结合的方式使得检修人员随时随地能了解电机的绝缘状况和绝缘介质的老化程度。

后台系统可通过数字变红、微信通知、短信等报警方式提示检修人员故障发生。

三、系统的主要技术应用

（一）低压电机绝缘安全保护单元

结合低压电机数量众多，但是电压等级不高等特性，本项目采用多通道的监测设备，即一台设备可以同时监测多台电机回路的绝缘情况，能有效简化施工量和降低投入成本。

1.当低压电机停机时，在其定子与地之间注入直流电压，测量电机中产生的泄露电流。

2.检测低电压机停机状态及带电状态，判断是否停机择机监测。

3.直启电机采用带电方式，可简化监测方式，实现智能化。

4.通过吸收比判断出绝缘介质的劣化程度。

5.循环监测适用于长期停机，每间隔设定时间自动监测一次。

6.定频检监测适用于频繁启停电机，每间隔次数自动监测一次。

7.体积小可置于电气控制柜中。

8.RS485和模拟输出适合接入不同系统中。

（二）技术原理

低压允测条件：低压电机检测单元的测试信号为DC500V（电流小于1mA），测试信号线接至电机动力电缆A、B、C其中任意一相，同时具有带电检测功能，判定电机是否停机。取电机回路接触器辅助触点做允测信号，判定电机是否停机。

确保停机后，根据设置的延时检测时间（因电机刚停下后处于热态，需冷却至室温后检测）启动检测。先自动对地放电，由检测单元产生DC500V测试信号（电流小于1mA），测试信号线接到电机动力电缆A、B、C其中任意一相，测试信号通过电机动力电缆传输至电机绕组，形成绕组对地的绝缘检测回路。低压电机按照国标单次检测时间为1分钟，才可以得出吸收比（即R60s和R15s的比值）。1分钟检测时间结束后，检测单元再次自动对地放电，进入下一循坏检测倒计时（循坏时间可任意设置）。

对于变频或软起的低压电机，需要在变频或软起的低电压机出线端加装交流接触器。因为停机以后变频或软起部位内部的IGBT本身具有10mA左右的泄露电流，会导致测试信号扩散至整个电网系统，所以检测是需要将电机和变频/软起部位完全脱开。

（三）吸收比、极化指数

预防性监控是变压器或电动机日常运维管理工作中的重要环节之一，是保证设备系统安全平稳运行的有效手段。在绕组回路绝缘测试中，某一时刻的绝缘电阻值不能全面反映设备绝缘性能的优劣。其原因主要包括两方面：一方面是同样性能的绝缘材料，体积大时呈现的绝缘电阻小，体积小时呈现的绝缘电阻大；另一方面是绝缘材料在加上高压后均存在对电荷的吸收过程和极化过程。所以，电力系统要求在主变压器、电缆、电机等许多场合的绝缘测试中测量吸收比和极化指数（即R60s和R15s的比值与R10m和R1m的比值），以此数据判定绝缘状况的优劣。

因此，利用监测系统测量绕组对机壳及绕组之间的绝缘电阻，通过电机绝缘介质的吸收比、极化指数来判断绕组绝缘劣化程度，是简便且不会对绕组绝缘产生次生损伤的绝缘测试方式，可作为判断绕组绝缘是否严重受潮或损坏的依据。

四、监测系统的软件功能

监测系统主要包括三层结构，即底层监测设备、数据无线传输层和远程服务器层。

采用4G无线传输的方式综合成本更低，性能更稳定。采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，安装维护方便，扩容能力强。4G网络组网灵活，可扩展性好，即插即用。管理人员迅速将新的无线监控点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程无线监控。

维护费用低：无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。无线监控系统是监控和无线传输技术的结合，将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到无线监控中心，并自动形成数据库便于检索。

数据采集内容：绝缘值（电机回路的绝缘）、吸收比、极化指数（电机绝缘介质的劣化程度）、生命值（通过百分比的方式体现电机的剩余寿命）、测试时间、测试状态。

数据采集：将配电柜中电机生命值（绝缘）检测装置的485通讯总线方式采集并传输出去至绝缘后台系统。

数据远传：通过4G远程传输模块将数据送至云端服务器，并通过4G模块将数据发送至移动终端，可通过手机APP远程查看当前数据、历史数据和历史曲线。

数据存储分析：建立数据库存储每次测试数据。展现电机回路绝缘值下降曲线图、电机绝缘介质下降曲线图，叠加两种曲线分析评估出电机剩余寿命值。根据设备、线路从新到旧，依次记录数据，捕捉曲线，总结经验值为后期分析故障提供依据。移动终端界面展示，APP、PC电脑、微信同步使用。

五、应用实践

（一）新技术应用

电机回路绝缘故障防控及寿命评估系统包括低压电机绝缘自动检测装置、数据采集器、液晶触摸屏、监测诊断系统软件等组成，是基于B/S网络架构的状态监测系统，在INTERNET（具备远程访问条件下）实时查看分析电机及电缆的绝缘检测情况（包括绝缘值、吸收比、极化指数、电机寿命、检测时间等）。

通过绝缘在线监测系统，实时查看分析预诊断电机出现的绝缘故障，为电机安全运行及科学维修提供决策支持，优化设备运行管理，推进设备的信息化、智能化管理工作，提升企业设备管理的信息化水平和智能化决策能力，确保设备安全、可靠、经济运行。避免维修不足或维修过剩，在保证设备运行安全、可靠的前提下，降低维修成本。

（二）预期达到的效果

1.自动监测。柜内的温度和弧光现象依靠人工巡检无法提前发现异常，通过系统提高了设备安全和工作效率，虽然是一次性投资，但可以减少维护人员的工作量。

2.提高数据的精确性和稳定性。人工巡检和维护可能会有人为缺失，采集数据是间歇性而非连续的，针对历史数据分析也不如连续性数据完整。

3.人工巡检发现和处理故障的反应不如自动监测及时，对于巡检人员来说，工作安全性也不如自动监测安全。

4.自动监测是提前发现问题并随时维修，不需要定期检修，对潜在隐患提前研判，提前进行隐患的消除处理。这样无形中增加了设备运行时间，给企业带来经济效益。

（三）案例介绍

例如，在2022年5月进行年度大修期间，3200锅炉房配电室加装了一批低压电机生命值（绝缘）检测装置，所有检测数据并入原有电机绝缘检测系统中。在全部安装完成后，开展设备调试过程中就检测出P-3205C的回路绝缘为“0”，是一个危险的信号，引起大家的高度重视，立即安排人员详查，结果电机绝缘正常，检查出是动力电缆的绝缘破损导致接地，然后立即安排购买新的电缆，迅速更换。如果没有提前发现电缆破损接地，后续将严重影响正常生产计划。

六、结语

综上所述，建立电机回路绝缘故障防控及寿命评估系统，可以提升设备运维管理水平，提高日常设备维护工作效率和质量，动态评估设备价值和寿命。利用在线监测系统实现设备运行状态自动监测，故障预警，提前发现并处理早期故障缺陷，防止故障进一步扩大，影响净化装置安全生产，从而更好地提高生产效率和安全管理水平。

参考文献：

[1]陈广书.石化企业低压电动机电缆截面选择及校验[J].科技创新与应用，2021（09）：155-157.

[2]甘江华，王佰超，尹强，等.基于组合桥的在线绝缘监测方法[J].自动化仪表，2019，40（09）：14-17+21.

[3]符艺超，王联智，谢敏.计量装置故障智能诊断技术的研究与应用.能源与环保，2021，43（01）：87-90+107.