大型电机转子动态参数测量系统的分析

【摘要】本文所论述的大型电机转子动态参数测量系统，可用于实时测量电机转子绕组的温度，接地电阻以及接地点的快速自动定位，对快速排除故障，保证电机安全可靠地运行具有重要意义，降低了劳动强度，安全可靠性也得到了保证。本测量系统由单片机测控系统构成，具有实用先进的特征，因此，可以作为电机的实时测量系统设备推广使用。

【关键词】大型电机；转子绕组；动态参数

1.引言

随着我国电力及电机工业的发展，电机系统变得越来越庞大和复杂，如何确保大型电机组的安全运行一直受到发电及用电企业的广泛关注。

与电机安全运行有关的动态参数有定子绕组、转子绕组、前后轴承集电环、外壳温度及进口风温，以及电压、电流、功率、周波等电量参数、绝缘电阻等。其中至关重要的是温度和绝缘电阻。为了保证设备的安全运行，对电机转子绕组温度的检测和对电机转子绕组接地的检测是每一个大型电机应用企业的运行人员日常工作职责之一。为有效地解决电机转子绕组温度自动实时监测显示以及转子绕组的绝缘监测和接地点的快速自动定位的技术问题，本文提供一种新型的电机转子绕组温度和转子绕组绝缘自动实时检测的装置。

2.电机转子绕组温度的研究

电机的连续工作容量主要决定于电机的转子绕组、定子绕组和定子铁芯的温度，这些部分允许的长期最高温度又决定于所用的绝缘材料的等级和测温方法。

电机在运行中，绝缘要逐渐老化。绝缘材料受热后，温度愈高，老化越快，寿命越短，因此，必须规定其允许温度及允许温升。通常容量较大的电机，都采用B级绝缘。发电厂各主要部分的允许温度和温升，应根据制造厂的规定执行，如无制造厂规定时，可按表1所列数值监视电机各主要部分的温度和温升。

电机转子是电机运行中温度比较高的一个部分，需要定时测量分析。有些电机装有专用的转子温度计，有些电机则没有，对于没有装设转子温度计的电机，可用下列方法计算。

设转子在温度t1时，两个滑环之间的电阻是R1，当转子温度升高到t2时，则两个滑环之间的电阻升高到R2，U1-转子滑环上电刷间的电压（即转子电压），Il-转子电流，U-电刷与滑环之间的电压降。对一种型式的电机在不同负荷时，可以把U看成常数，故对于一般大型电机，U根据实验值可选用5伏，而对于一般小型电机，U可选用3伏，在可能的情况下最好采用实测值。导出公式：

由上述计算结果可知，电机转子绕组温度t2小于130℃，说明未超过温度允许值。

3.电机转子绕组的绝缘电阻及接地故障点自动定位研究

3.1 电机转子绕组的绝缘电阻的分析

电电机的转子绝缘是励磁回路中最薄弱的部分，它在运行中转速很高，绕组绝缘受着很高的离心力，而且温度也很高，冷却空气通过它的通风孔时，还能把灰尘积聚在转子里面。绕组温度的增加和绕组被污染、湿度的增加使绕组绝缘电阻值下降。

由于转子滑环和电刷的相对高速运动，使电刷磨损很大，而磨下来的石墨粉积聚在滑环及电刷架上，会使绝缘电阻降低，甚至导致正滑环与负滑环之间短路或转子绕组接地，影响安全发电，所以在运行中应定期对励磁回路绝缘电阻进行测量，其值不得低于0.5兆欧。由于运行中不能用摇表来测量，用直流电压表法。

为了测量正确和读数容易，在110伏的励磁回路上，所用电压表的内阻应为20000-50000欧姆，在220伏的回路上，内阻应为50000-100000欧姆。用以上电压表在电机负荷不变时，分别测量下述三个电压数值：

1）正滑环对地电压；

2）负滑环对地电压；

3）正、负滑环间的电压即转子电压。

测量电压，可用两个探针测量滑环间的电压及滑环与转子轴（轴通过接地电刷接地）之间的电压。探针的材料用碳和铜来做，但必须使接触部分良好。为了测量方便，亦可在主控室配电盘转子电压表的两个端子上进行测量。将测得的结果代入下式，得出绝缘电阻数值：

（兆欧）

式中：

RV——电压表的内阻（欧姆）；

U——正、负滑环间的电压（伏）；

U+——正滑环对地的电压（伏）；

U-——负滑环对地的电压（伏）。

如图3.1所示，假定电机励磁回路A点经电阻R接地，测量时，电压表接点1、3，读数为U；电压表接点2、3，读数为U+；电压表接点1、4，读数为U-。

例如：某一电机测得电压为：U+=5伏，U-=7伏，U=120伏，而所用电压表内阻为RV=100000欧姆，则励磁回路的绝缘电阻为：

（兆欧）

由此可见，所计算的数值大于0.5兆欧（一般即认为合格），说明测量结果满足要求，电机转子绕组绝缘电阻符合安全生产的要求。

3.2 接地点的自动定位

接地点距正、负滑环的大概距离为：

据此，运行人员根据电机转子动态参数测量系统的LCD显示器显示的正滑环对地的电压值U+、负滑环对地的电压值U-，依据式（3.1）、（3.2）就可以判断出接地点距正、负滑环的大概距离。

图3.1 电机转子绕组绝缘电阻的测量

4.测试系统硬件、软件电路设计

4.1 系统的硬件电路设计

电机转子动态参数测量系统的硬件系统是由PIC16C74单片机，显示模块，键盘输入模块，通信模块，报警输出模块等构成。

电机转子动态参数测量系统采用Microchip公司的单片机PIC16C74作为主控单元，不仅能够自动检测电机转子电压值，正滑环对地的电压值，负滑环对地的电压值，电机转子电流值，而且能够自动计算出电机转子绕组温度值，电机转子绕组绝缘电阻值，如果被测电机转子绕组发生接地绝缘降低并达到报警值，本测量系统立即发出报警信号，同时驱动出口继电器动作；同样，如果被测电机转子绕组温度逐渐升高并达到报警值，本测量系统也立即发出报警信号，同时驱动出口继电器动作，提醒值班人员注意，同时并将该电机转子绕组绝缘电阻值，正滑环对地的电压值，负滑环对地的电压值及电机转子绕组温度值等运行参数和故障状况通过RS485通讯网络传送到安装在主控室内的DCS监视主机上。这样，运行人员就能够在主控室内方便地观察到几百米之外任一电机转子绕组绝缘及绕组温度的运行状况。减轻人工测量、、计算的劳动强度，提高、工作效率和自动化程度以及保证电机安全可靠地运行具有重要意义。

4.2 系统的软件电路设计

单片机测控系统软件主要完成大型电机转子动态参数测量系统的主要参数的实时采样、数据处理、参数显示、数据存储以及与上位机通讯等功能，同时能够根据算法自动计算出电机转子绕组的温度值、电机转子绕组的绝缘电阻值，并将计算结果与给定的电机转子绕组的温度报警值、电机转子绕组的绝缘电阻报警值进行比较，若超过报警值，则启动报警电路报警。

另外，除了产品的基本性能和功能的要求外，产品对环境条件的适应能力也是反映产品可靠性水平的一个重要因素。在产品设计过程中应尽量避免产生干扰，对于有干扰产生的部件应尽可能采用独立电源、独立回路、与其它电源或回路隔离开来，减少干扰的传播。对于不可避免的干扰源，在设计上应有针对性地和合理地采用接地、屏蔽和滤波的方法，限制和减少电磁干扰的影响。

5.结论

大型电机转子动态参数测量系统解决了目前靠现场运行人员手工检查、测量和手工计算电机转子绕组温度值和绕组绝缘电阻值的缺点，能够准确显示转子绕组接地电阻值和转子绕组温度值，并能够正确区分和确定每一个故障接地点，大大减轻了运行人员手工测量、计算的劳动强度，提高了工作效率和自动化程度，这对保证电机安全可靠地运行具有重要的现实意义。

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