定子绕组故障诊断及处理方法详解

(一) 绕组断股的诊断

1.一般规律

大中型高压电动机定子绕组多属双层波形整数绕组。设电动机定子槽数为Z,线圈为3 股并绕,每个线圈的电阻为R,则每个线圈每股导线的电阻为3R。现分三种情况说明如下。

(2)设定子为两条并联的绕组,则正常相的电阻为ZR/12,断2股相的电阻为

(3)设定子2P 条并联绕组 (P 为极数),则正常相的电阻为ZR/12P 2,断2股相的电阻为

以上三种情况的计算表明,无论定子绕组串并方式如何,定子槽数Z≤147时,三股并绕的线圈只要断了2 股,则相电阻的偏差ΔR2%均大于3.6%,这个偏差值是较容易测出的。

同理,也可计算出上述电动机2股并绕中断1股时,其相电阻的偏差值将大于等于2%,这也是可以测出的。一般高压电动机的定子槽数Z 都小于147,故上述一般规律符合实际。

2.诊断步骤

当电动机为三角形接线时,同样也可以求出断股相。

(4)求出一个线圈的电阻值。如被测电动机无资料可查,则在 (2)进行后已求出三相的相电阻,设RA偏大,另两相RB和RC相接近,可取RB和RC的平均值作为正常相的相电阻值,再根据串并联回路数计算一个线圈的电阻值R。它们是:一条串联绕组R=3 (RB+RC)/2Z;2条并联绕组R=6 (RB+RC)/Z;2P 条并联绕组R=6P 2(RB+RC)/Z。式中Z 和P 为已知,RA、RB、RC也可按 (1)、(2)两步测量并计算出来。

(5)查找故障线圈。确定故障相后,绘出绕组原理接线图,分段测量比较,并找出故障段,然后逐线圈地测量故障段,当其值不同于上述R 的计算值时,则为断股线圈。

现场曾在数台电动机上应用上述方法诊断故障,证明是有效的,可避免大拆大换,降低检修费用。

(二) 绕组断路故障的诊断及处理方法

1.绕组断路故障的诊断方法

(1)万用表法。这种方法适用于绕组无并联支路或多根并绕的小异步电动机。根据绕组的接法可按下述4种情况进行检查。

1)定子绕组采用Y接法,且中性点能引出到接线盒。对这种情况,可将万用表置于相应的电阻挡,用一支表笔接中性点,另一支表笔分别接到三相绕组的引出端A、B、C上,如果测到某相不通,则表明该相绕组有断路情况。

2)定子绕组采用Y接法,而中性点无法引到机壳外。对这种情况,可按图7-2 (a)所示的方法分别测量AB、BC、CA 各相绕组接线端之间的电阻。若AB两端相通,BC 和CA 两对端子之间不通时,则表明C相绕组有断路处。

3)定子绕组采用△接法,且6根引线端都可以引到接线盒。对这种情况,可先拆开三角形连接的短路片,然后用万用表电阻挡分别测量各相绕组的电阻,哪相不通,则表明哪相绕组有断路。

4)定子绕组采用△接法,但仅有3根引线端可接到机壳外。对这种情况可按图7 2 (b)所示的连接,用万用表电阻挡分别测量AB、BC、CA三对端子间的电阻RAB、RBC、RCA,电阻较大的两端子间的绕组即为断路相。

图7-2　用万用表法检查绕组断路的示意图

(a)检查Y接法绕组断路;(b)检查△接法绕组断路

(2)三相电流平衡法。中等容量以上的电动机绕组大多采用多根并绕或多支路并联,若其中一根或一支路断开时,常采用三相电流平衡法 (或下述的电阻法)进行检查,其方法如下:

1)Y接法的电动机。如图7-3 (a)所示,在电动机3根电源线上分别串入三块电流表,再将三相绕组并联,通入低压大电流,若三相电流值相差大于5%,则电流小的一相绕组中有断路。

2)△接法的电动机。如图7-3 (b)所示,先将三角形接头拆开一个,然后通入低压大电流,用电流表逐相测量每相绕组的电流,电流小的一相绕组中有部分导线断路。

图7-3　用三相电流平衡法检查绕组断路

(a)检查Y接法绕组断路;(b)检查△接法绕组断路

(3)电阻法。用双臂电桥分别测量三相绕组的电阻,若三相电阻值相差大于5%,则电阻较大的一相绕组中有断路处。

上述三种方法,只能查出是哪一相绕组断路,但不能找出具体的故障线圈。这时可以拆开电动机,并将各相绕组的引线端子拆开,在万用表的一只表笔上焊接一枚尖针,将万用表没有尖针的表笔与故障绕组的端线相接,带尖针的表笔分别刺入各线圈的过桥线上,假设从无尖针表笔所接的那个线圈开始,逐个测量前几个线圈是通的,测到下一个线圈万用表不通了,则表明断路点就在这个线圈内。

2.处理方法

(1)若断路点是由于过桥线或引出线接头焊接不良或扭断导致时,可重新焊牢接头,并套好绝缘套管。

(2)若断路点在铁芯槽外的绕组端部,又是单股线断开时,可用划线板将断线挑出,重新焊好断线接头并包扎绝缘。若是两股以上的导线断开,应仔细查找线头线尾,否则容易造成人为匝间短路。

(3)当断路点在铁芯槽内时,可用上述的穿绕修补法更换故障线圈。若电动机需急用,一时来不及彻底处理,也可采用跳接法将断路线圈首尾端短接起来,以供暂时使用。

(三) 绕组接地故障的诊断及处理方法

1.绕组接地故障的诊断方法

(1)观察法。由于接地点往往接触不良,电流流过接地点时会发热,常常出现绝缘破裂焦黑的痕迹,这些部位的故障可以用直接观察的方法来检查。

(2)兆欧表法。检查时,应根据电动机的额定电压选择兆欧表的电压等级。低压电动机采用500V 的兆欧表。用兆欧表测量各相绕组对地的绝缘电阻,当兆欧表读数为零时,说明被测相绕组有接地故障。若兆欧表指针在零处摇摆不定,则说明被测相绕组绝缘有击穿现象。这种方法一般只能检查出是哪一相绕组接地,而不能查出接地点的位置。

(3)灯泡检查法。如图7-4所示,在电源回路中串接一只灯泡,用带绝缘的测试棒分别测量各相绕组与机壳间的绝缘状况。如果灯泡发亮,则说明该相绕组接地;若灯泡虽不亮,但测试棒接触电动机时出现火花,这说明绕组尚未击穿,只是严重受潮。用灯泡法检查绕组接地时,还可根据出现的冒烟或火花现象,直接找到接地故障点。

图7-4　用灯泡检查法检查绕组接地故障的示意图

图7-5　用电压降法查找接地点

(4)电压降法。当确定了接地故障相以后,可以采用电压降法查找接地点的位置。将交流或直流电源接于故障相的两端,如图7-5所示。测得各电压表的读数为U1、U2、U3,因为U1+U2=U3,按照电压的比例即可求出接地点距离引线端的长度百分数L%,例如接地点D 相距引线端A 点的长度百分数为

(5)开口变压器法。确定故障相后,在故障相与铁芯间加一低压 (36V)交流电源,如图7-6所示,这样在电流流入端至接地点D 之间,所有串联的线圈中都有电流通过,而接地点以后的线圈中无电流通过。查找接地点时,开口变压器的线圈两端串接一只微安表,用开口变压器跨在槽的上面并沿轴向移动,逐槽测试。当全槽都有感应电压产生时,说明接地点不在该槽内;当开口变压器在X1、X2槽上移动,到D 点后微安表的指示消失(或减少)时,则表示接地点在D 处。

图7-6　用开口变压器查找接地点

(6)冒烟法。在定子铁芯与绕组之间加一较低电压,当电流流过故障点时,使绝缘烧损而冒烟或产生火花。在冒烟处或出现火花处作好标记,该点就是接地点。值得注意的是,加电压时,流过故障点的电流应控制在额定电流的20%～50%为宜。这种方法一般用于不完全接地情况。

2.处理方法

(1)接地点在槽口附近时,可用划线板撬开槽绝缘,在故障处塞入大小适当的绝缘材料,如绝缘纸、天然云母以及竹片等。若是两根以上的导线绝缘损坏,处理好槽绝缘后,还应在导线间用黄蜡布隔离,并涂上绝缘漆,烘干后复查绕组绝缘应无接地现象。如果接地处的线圈有较多根导线绝缘损坏,最好另换一只新线圈。

(2)绕组的上层边绝缘损坏而发生接地时,可以打出槽楔,修补槽衬或抬出上层线匝进行绝缘处理。修复绕组绝缘后,应重新打入槽楔。若打入槽楔时过紧或无法打入,应适当将槽楔修薄。

(3)接地点发生在槽底时,只有更换槽衬才能解决。为此必须抬出一个节距内的线圈,操作时应特别小心,不要碰伤匝间绝缘。为了避免损伤绝缘,一般采用将绕组加热软化后再撬出线圈的方法。这可在线圈中通入小于额定值的电流,利用铜损耗来加热线圈,加热温度应不超过75℃。待绝缘软化后,停止加热,打出槽楔,用竹片撬开槽衬,慢慢地将线圈抬出槽口,逐个取出一个节距内的上层边后,再把有接地故障的下层边取出,更换新槽衬,并对故障线圈进行绝缘处理。接地故障修复后,重新嵌入此节距范围内绕组的上层边,打入槽楔,复查绕组接地情况。最后将绕组端部绑扎、整形,并进行涂漆,烘干处理。

(四) 绕组短路故障的诊断及处理方法

1.绕组短路故障的诊断方法

定子绕组常见的短路有:同相绕组的匝间短路;两相邻线圈间短路;极相组线圈两端短路;两相绕组之间的短路。其诊断方法如下:

(1)外观检查法。绕组发生较严重的短路时,通常在拆开电动机后,可以看到绕组短路处的绝缘表面有焦脆变色或局部烧损现象。如果故障点不明显,可以给电动机通电使其运转,如果有焦臭味或冒烟现象应立即停机,如无冒烟现象可运转10～20min停机,马上打开端盖,抽出转子,用手背触摸绕组发热是否均匀,温度过高处即是短路部位。

(2)直流电阻法。将电动机接线盒中三相绕组的接线端子拆开,利用电桥或万用表的低阻挡,分别测量各相绕组的冷态直流电阻。直流电阻小的一相绕组有短路故障存在。若需具体判断是哪个极相组或线圈有短路现象,可在电桥引线或万用表表笔上接一尖针,先后分别刺进极相组 (或线圈)的首尾接头处进行测量。凡电阻明显小的极相组 (或线圈)多有短路故障现象存在。

用直流电阻法还可方便地检查绕组相间短路。检查时,用兆欧表或万用表高阻挡,分别测量各相绕组间的绝缘电阻,如绝缘电阻值很低或为零,则说明该两相绕组存在相间短路。

(3)电压降法。如图7-7所示,对有短路故障的相绕组通以低压 (12～36V)交流电或直流电,将万用表置于相应的交流电压挡或直流电压挡,两表笔接上尖针,分别测量该相绕组的各极相组 (或线圈)两端电压降,电压降小的那个极相组(或线圈)即有短路现象存在。

图7-7　电压降法原理接线图

(4)开口变压器检查法。采用开口变压器检查绕组短路故障是最有效的方法。用开口变压器检查定子绕组的方法是:在定子绕组不加电源时,把开口变压器的开口部分放在被检查的定子铁芯槽口上,如图7-8所示,检查时,在开口变压器绕组加一单相交流电源。这样,开口变压器的铁芯与定子铁芯的一部分组成一个闭合的磁路,开口变压器的绕组相当于变压器的原绕组,而被检查的定子铁芯槽里的绕组就相当于变压器的副绕组。如果定子绕组有短路存在,则短路绕组中就会有电流通过,并在它的周围产生交变磁场。此时,用一块薄铁片(如废锯片)放在被测绕组的另一边的槽口上,短路绕组中所产生的磁通就会经过铁片而成回路,把铁片吸附在定子铁芯上,并发出吱吱声。如果绕组中没有短路存在,该绕组中就没有电流,因而铁片也就不会有响声。另一种方法是在开口变压器的电路中串联一只电流表,把开口变压器的开口贴在铁芯槽口慢慢沿铁芯的轴向方向移动,如果被测线圈中有短路存在,电流表的读数就会增大。

图7-8　用开口变压器检查法检查匝间短路

1—开口变压器;2—定子铁芯;3—被测线圈;4—锯条或薄铁片

使用开口变压器检查法检查绕组匝间短路时,应注意的问题如下:

1)对三角形连接的绕组,检查前应分相拆开。

2)对多支路并联的绕组,也应按支路分开。

3)检测时,铁片应尽量远离开口变压器,以防漏磁干扰。

4)检测双层绕组时,当发现槽内有短路故障时,必须判断短路是属于上层还是下层绕组。为此可用铁片在两个对应边的槽口进行检查,根据薄铁片的不同反应,来确定故障绕组。

5)开口变压器在接通电源前,应先将变压器的开口侧放在定子铁芯上,并使其接触吻合,否则开口变压器的励磁绕组会因电流过大而发热烧坏。

2.处理方法

(1)匝间短路。

1)若绕组损坏不严重,可先把该绕组加热(80℃左右),使绝缘物软化后,再用划线板撬起坏导线、垫入新的绝缘材料,并趁热浸上绝缘漆,进行烘干。

2)若绕组中有少数导线绝缘严重损坏,可采用穿绕修补法。先把该绕组加热软化,取下坏绕组的槽楔,并从绕组的端部将其剪断,如图7-9所示,然后再抽出坏绕组。若是双层绕组,在抽出坏绕组的导线时,应注意不要损伤同槽内的完好绕组。将损坏的绕组拆除后,应清理槽中的杂物,但不必去掉原有的槽绝缘,只在原绝缘上加一层聚酯薄膜即可。用穿绕修补法穿绕新绕组时,可把直径比导线略粗并打蜡的竹签作为假导线,插入槽绝缘内,取略长于坏绕组总长的同规格新导线,从新导线总长的中间开始穿线。穿线时,可边抽出假导线,边随之穿入新导线。穿绕完毕后,整理好其端部,焊接端部引线接头并包好绝缘,进行必要的测试,符合要求后才能进行浸漆烘干过程。

图7-9　剪开部分短路绕组示意图

3)若绕组匝间短路使导线绝缘严重损坏,而时间上又不允许进行彻底修理,则可采用跳接法。如图7-10所示,把短路绕组的一端剪断,并用绝缘材料包好断头,再把该绕组首、尾端用导线短接,即跳过了这个短路的坏绕组。采用这种应急措施时,应注意适当减轻负荷运行,待条件允许时,再进行彻底修理。

图7-10　用跳接法处理短路绕组的示意图

(2)整个极相组短路。这种短路主要是由于极相组间连接线上的套管没有套到绕组的端部或套管被压破所致,如图7-11 (a)所示。处理这种故障的方法是将绕组加热到80℃左右,使绕组软化,用划线板撬开引线,将套管套到接近槽部,如图7-11 (b)所示。或者用绝缘纸之类的绝缘材料将该处衬垫好,并用扎线绑牢。

图7-11　极相组短路故障处理示意图

(a)极相组短路;(b)极相组短路故障的排除

(3)线圈间短路。这种短路故障往往是由于绕组间的过桥线处理不当,或叠绕组嵌线方法不妥以及端部整形时敲击过猛等原因所致。这种短路通常发生在绕组端部,可用划线板撬开存在短路的两个绕组,在绕组间垫入绝缘纸后,再涂上绝缘漆并烘干。

(4)相间短路。这种短路故障多是由于各相引出线套管处理不当或绕组端部的相间绝缘纸破裂所造成的。对这种故障只需要处理好引线绝缘或相间绝缘,即可排除故障。

(五) 绕组接线错误的诊断方法

定子绕组接线错误通常有:极相组中的一个或几个线圈嵌反;极相组接反;绕组的始端和末端接错;多路并联支路接错;△接法与Y 形接法错误等。常用的诊断方法如下:

(1)指南针检查法。把被测相绕组的两端接在3～6V 的低压直流电源上 (三角形接法的要拆开三相绕组的连接点)。用一只指南针沿定子内圆周移动,若指南针依次经过每一极相组时,指南针南北极交替变化,则绕组没有接错;若经过相邻极相组时,指南针所示的极性不变,则表明极相组接错;若指南针经过某一极相组时指向不定,则该极相组的线圈可能接反或嵌反。若测试过程中,指南针的方向变化不明显,可适当提高电源电压,重新检查。这样依次测试各相绕组,直至三相绕组全部测完。

如果发现了绕组有接错或个别线圈有嵌反,这时应把绕组接错部分的连接线或过桥线以及嵌反的线圈纠正过来。

(2)滚珠检查法。把电动机转子抽出,在定子内腔放一钢珠 (滚动轴承的钢珠即可),然后定子绕组接上三相低压电源。如果绕组没有接错,则三相电流产生的旋转磁场会使钢珠沿定子铁芯内腔滚动。如果绕组接错,则磁场错乱,钢珠不会滚动或发生反转现象。在试验时,注意时间不宜太长,而且一定要用低压电源,否则会烧坏定子绕组。此法可以简便地测出定子绕组是否接错,但不能判定是哪个绕组或线圈接错。

(3)试灯检查法。在三相绕组的端头标记失落或标注不明的情况下,先用万用表电阻挡判别哪两个相头属于同一相绕组。然后,把任意两相绕组串联起来,接在交流电源 (可用交流220V 电源)上,第三相绕组接上灯泡。如果灯泡亮,表明串联的两个绕组是顺串,即一相的首端与另一相的末端相连;如果灯泡不亮,表明这两相绕组是反串,可将其中的一相首末端对调。判明两相的首末端后,再把其中一相和第三相串联,重复上述测试、即可判别三相绕组的首末端。也可以采用如下判定:将任意一相绕组的首末端接在36V 低压电源上,另外两相串联后接上灯泡 (110V)。如果灯亮,表明串连接灯泡的两相绕组是顺串,即一相的首端接另一相的末端,如图7-12 (a)所示;如果灯不亮,表明两相绕组为反串,如图7-12 (b)所示。可将其中一相的首末端对调。第三相的判定与上述方法相同。最后做好三相绕组首末端的标志即可。

图7-12　灯泡法判别绕组首末端

(a)顺串;(b)反串

(4)万用表检查法。将三相绕组接成星形,其中任一相接上36V 低压交流电,然后在另外两相的出线端接入万用表 (用10V 交流电压挡),如图7-13 (a)所示。观察万用表,记下有无读数,然后改接成图7-13 (b)的形式,再记下有无读数,即可判定:若两次均无读数,说明接线正确;若两次均有读数,说明两次都没接电源的那一相首末颠倒了;若只有一次有读数,说明无读数的那一次接电源的一相颠倒了。

图7-13　用万用表判别绕组的首末端

(a)A 相加压,测BC间电压;(b)C相加压,测AB间电压

若无36V 交流电源,可采用干电池 (甲电池)作电源,万用表用10V 以下直流电压挡,在电源接通的瞬间观察万用表有无指示,判定方法如上所述。

(5)转向法。对于小型电动机,用图7

图7-14　用转向法判别绕组的首末端

(a)加压方式1;(b)加压方式2;(c)加压方式3

14所示的接线也可判别三相绕组的首末端,即分别取三相绕组每相的一端接在一起,并接地。再用两根电源线分别按顺序接在电动机的三个引出线端的两个,观察电动机的旋转方向。若三次接线,电动机的转向相同,表明三相首末端标注正确;若三次接线,有两次电动机反转,表明参与过两次反转的那一相绕组接反。

(6)毫安表剩磁法。将三相绕组任意并联,如图7-15所示。用万用表毫安挡测试,用手匀速转动电动机转子,若万用表指针有摆动,说明绕组不是首端与首端连在一起,末端与末端连在一起。可将任一相绕组首末端对调重试,直到指针不动或微动,则说明这时是三相的首端与首端连在一起,末端与末端连在一起。

图7-15　毫安表剩磁法判别绕组的首末端

(a)万用表指针不摆动;(b)万用表指针摆动

值得注意的是,采用此法测试的电动机必须是已运行过的,有剩磁存在。若无剩磁存在,定子绕组不能感应电动势,此法无效。