不同负载条件下电动机绝缘在线检测技术分析

肖海鹏

（中山嘉明电力有限公司）

0 引言

感应电动机（IM）是运行可靠、功能全面、结构简单的设备，可以将电能转化为机械能。与直流电动机不同的是，IM可以在大的速度范围内使用电源电子控制，即时通讯作为主要的推动者在许多工业领域中得到了广泛的应用。因此，任何由于故障而导致的损坏都会造成巨大的损失。热、振动、电气和环境压力是引起绕组故障的关键因素，这种类型的故障多由于线圈之间绝缘材料的局部缺陷而产生，并迅速升级为更严重的故障［1-2］。

绝缘电阻、极化指数、散逸因数、局部放电测量和介电质光谱是评估SWIM的最常见方法。但是，该方法需要将电机停止运行。此外，在定子绕组绝缘没有暴露在实际应力的情况下，当电机处于运行时［3-5］，由于成本的原因，离线监测方法并不常用。

1 技术分析

在不同负载条件下，电动机绝缘的在线检测技术可以分为以下几种方法［6］：

（1）剩余波纹电流法：通过测量电动机绕组中的波纹电流来判断绝缘状态。当电动机绕组绝缘破损或存在局部故障时，会引起波纹电流的变化。通过监测波纹电流的振幅和频率变化，可以判断绝缘破损程度。

（2）放电检测法：通过检测电动机绕组中的放电情况来判断绝缘状态。当绝缘破损时，会导致局部放电现象的发生。通过检测放电的强度、频率和位置等参数，可以判断绝缘的健康状况。

（3）噪声分析法：通过分析电动机产生的噪声信号来判断绝缘状态。当绝缘破损时，电动机运行时会产生不同频率和幅度的噪声信号。通过对噪声信号进行频谱分析和特征提取，可以判断绝缘的损坏程度和位置。

（4）振动检测法：通过检测电动机的振动信号来判断绝缘状态。当绝缘破损时，会产生不同频率和振幅的振动信号。通过检测振动信号的频率、幅值和相位等参数，可以判断绝缘的健康状况。

这些在线检测技术可以根据不同负载条件下电动机的绝缘状况进行实时监测，并及时发现绝缘破损或故障，从而采取相应的维修措施，提高电动机的可靠性和安全性。

本文提出了一种新的状态监测系统 （condition monitoringsystem，CMS），旨在持续监测IM的健康状况，并在其初始阶段检测匝间绝缘故障。使用电磁瞬态程序（即Maxwell）开发了一个非常精确的模型，使人们能够评估定子绕组中两匝间绝缘退化的初始阶段。然后使用实验装置来验证所提出的建模技术，其目的是对SWID的初始阶段进行建模，然后在绝缘劣化开始发生时立即进行检测。因此，电机在运行过程中的状况将被持续监测，当SWID开始发生时，它将被检测到。通过离散小波变换（DWT）、DWT近似和细节系数中故障相关谐波的变化，使定子绕组绝缘故障的早期检测成为可能。这种技术为工业过程中的操作人员或控制系统提供了足够的时间来执行预定的维护。在SWID的情况下，从健康到故障状态的转变可以在不到几秒钟的时间内发生。

2 理论分析

2.1 状态监测系统分析

对于对称IM，定子磁场强度包含由以下表达式描述的一系列空间和时间谐波：

其中，ω是系统频率；p是极对数；θ是机械角度；n＝6k±1，k＝0，1，2，…。转子磁场强度也在转子参考系中给出，表达式如下：

其中，θr表示转子初角度；s为转差率，nr表示转子条数。

从上面的方程可以清楚地看出，转子磁动力（MMF）波只存在于j＝p，j＝λnr±p，λ＝1，2，…情况下，MMF波将在定子绕组中感应出电磁场并产生电流。在SWID的情况下，由于循环电流产生的MMF具有以下特性：

它包含在两个方向上旋转的所有数量的极对。此外，定子电流谱中感应的SWID引起的转子谐波分量如下：

其中，m≠2pk。

CMS的流程如图1所示，其目的是开发出一种快速准确诊断三相鼠笼式异步电动机SWID的方法。开发了一种新的建模技术来详细模拟有限元中的SWID，在任何定子槽中，在其初始阶段的两匝间绝缘退化也可以被精确地建模，然后通过实验结果验证了所提出的建模模拟的有效性。

图1 状态监测系统流程

如前所述，尽管已经提出了不同的CMS来诊断SWID，但对绝缘劣化的发生时刻的检测还没有研究。在本文中，借助于信号处理和建模技术，SWID可以在发生后的几秒钟内被检测到。评估绝缘退化的能力使其有可能在初期诊断出定子绕组中存在的潜在问题，从而在灾难性故障发生之前及时采取保护／纠正措施。

在有限元中对电机在负载下仅1.2%匝的相绕组绝缘劣化的初始阶段进行了建模。定子电流信号的DWT的近似信号和细节信号中的故障相关谐波分量变化，使得能够在匝间绝缘劣化发生后不久便被检测出来。

2.2 有限元中的SWID分析

定子绕组绝缘劣化的正确建模对于故障诊断非常重要，该模型应该能够考虑不同的严重程度以及不同的故障位置。麦克斯韦电路编辑器中的IM电路如图2所示。两个连续的绕组表示定子中有一个线圈。这种方法甚至能够考虑线圈的两个相邻匝之间的绝缘劣化。

图2 定子绕组绝缘损坏电路图

槽1和30被分解为两部分，其中s1-1、s30-1包括5轮和28轮，已被放置在s1-2、s30-2中，必须强调的是，槽1和30没有被划分成单独的槽。因此，根据实际IM绕组结构，麦克斯韦电路编辑器中使用的实验机的绕组配置如图3所示。

图3 实验机绕组结构

从图3中可以看出，不是在槽1中放置33匝，在槽30中放置33圈，而是首先在槽1内放置28匝，然后在槽30内放置28圈，接着在插槽1内放置5匝，而后再在插槽30内放置5圈。两者含义相同，即33匝被放置在插槽1和30中，且串联连接。后者可以在有限元方法中实现，这将把分辨率精度提高到每个线圈的单匝。通过这种方法，可以根据需要将故障设置于任意数量的匝数以及任意槽和相位，还可以设置故障严重程度，以反映绝缘劣化的程度。

然后，通过在不同操作条件下的实验装置验证了所提出的建模技术。麦克斯韦环境和电路编辑器都耦合在一起，从而考虑了电机的所有磁特性和电特性。本文提出的技术使人们能够在不同负载条件和位置下研究IM中不同定子绕组的故障，而不必担心对电机的不可逆损坏。

3 仿真及结果分析

尽管现有的方法能用于诊断IM中的定子绕组故障，但仍需要能够在其初始阶段检测绝缘劣化的CMS。本节评估了前文设计的CMS，同时在其稳态条件下持续监测IM，一旦绝缘开始降解，就会检测到SWID的破坏。为此，采用了离散小波变换，因为它能够揭示频率分量的演变及其精确的时间位置。与其他信号处理技术相比，小波分解在分析非平稳信号方面的优越性已在许多应用中得到证明。为了减少相邻频带之间的重叠，本文采用了高阶母小波。由于使用了金字塔算法和正交小波函数，因此不存在冗余信息。这使得计算效率很高。

假设电机在健康条件下运行，定子绕组绝缘在t＝0.4s时开始劣化。研究了一个线圈中定子绕组1.2%匝之间的劣化。为了模拟绝缘退化的初始阶段，在故障匝之间放置一个电阻器，电阻越大，循环电流越小，相应地研究了SWID的初始阶段。对于直接与电源相连的电机，如果绝缘击穿发生在370℃，那么几乎与匝数无关，15kW 感应电机达到击穿的时间约为2s。因此，很明显在故障发生之前，IM可能会运行1～2s，这个可用的时间窗口可以用来检测故障。图4显示了定子电流信号的DWT信号，在t＝0.4s时，向定子电路中引入电阻器，阻值为0.5Ω。在t＝0.4s之后，看不到谐波分量的显著变化，原因是外部电阻器的阻值远高于5匝电阻。

图4 满负荷匝间短路故障的小波变换信号

尽管与之前的情况相比，循环电流具有最高的幅度，但在故障相电流中看不到变化。然而，电平6（d6）、电平5（d5）和电平2（d2）处的细节信号在故障发生之后由于绝缘劣化产生的谐波分量而显示出明显的变化。

4 结束语

使用有限元法建立了一个精确的模型，使人们能够以两匝的分辨率模拟定子线圈绝缘退化的初始阶段。考虑了不同的负载条件和故障严重程度，实验结果验证了建模方法的有效性。基于从定子电流信号DWT获得的特征，成功地检测到1.2%匝的绕组相绝缘劣化。各处的DWT细节系数的相关能量是用于故障检测的有效参数，所提出的方法适用于匝间绕组绝缘故障检测。针对模拟匝间绝缘故障的小型感应电动机，验证了其在不同负载条件下的可行性。使用所提出的CMS，可以连续监测定子绕组的状态，并在达到严重故障状态之前检测绝缘退化情况。本文采用有限元、离散小波变换和实验装置来证明了SWID发生后不久诊断的可行性。