CN102160264B - 用于跟踪旋转机器中的绝缘体的劣化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于跟踪旋转机器中的绝缘体的劣化的方法，该旋转机器包括设置在壳体(1)中的至少一个转子(3)和至少一个定子(2)，该壳体限定出含有至少90％的体积为空气的内部气氛，并且该旋转机器可选地包括用于所述气氛的冷却系统(5)，所述方法特征在于包括以下步骤：(a)在位于限定出所述旋转机器的内部气氛的气体中的或与所述气体接触的一个或多个随机位置处测量CO(一氧化碳)的浓度和NO₂(二氧化氮)和/或O₃(臭氧)的浓度；以及(b)显示、用信号告知和/或存储所述测量(7、8、9)的结果。

Description

用于跟踪旋转机器中的绝缘体的劣化的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于跟踪旋转机器中的绝缘体的劣化的方法、一种使用该跟踪对这些机器进行预防性维护的方法以及一种利用该跟踪方法的装置。

背景技术

旋转机器的制造商和用户常常面临在这些设备构件中的定子和转子(当它们被绕线圈时)中存在绝缘体老化问题。该绝缘体老化问题形成促进该绝缘体中或其附近出现局部放电的状态并且可因此加快绝缘体的损坏。所有这些最终会导致电气故障，由此引起操作停机、损失或间接费用、重新卷绕定子和转子的成本或甚至部分或完全更换设备。

目前，存在一些用于监控局部放电现象和/或绝缘体的状态的解决方案。特别是可以列举：

-通过电容式耦合器对局部放电进行电气测量，这是最普遍的。其基于测量绕组中由于局部放电所引起的瞬时电流。通常，该方法使用安装在马达中的耦合器，这些耦合器测量与这些瞬时电流相对应的频率和电荷。该方法可以在不必使机器停机的情况下评估旋转机器的定子中的局部放电水平。通过该方法获得的数据需要进行解析，因此需要充分了解局部放电现象。该方法仅给出对局部放电的次数和振幅的评估，而未给出它们对绝缘的影响的指示。

-称为绝缘电阻测量的测量：该测量在马达停机的情况下进行。其在于在导体绕组与定子或转子的金属接地物之间施加直流电压并测量这两个元件之间的电绝缘电阻。理想地，该电阻为无穷大，但在实践中并非如此。绝缘电阻越弱，存在绝缘问题的可能性就越大。该测量不能在马达操作时进行且对温度极为敏感。

-极化指数的测量：该测量为绝缘电阻的测量的变型，其在于计算已对绝缘体施加电压十分钟之后的绝缘电阻与对绝缘体施加电压一分钟之后所获得的电阻之间的比值。低极化指数通常标志着绝缘体的污染(油、脂等)。该测量与绝缘电阻测量相比对温度不敏感。

-高压测试：其在于对绕组施加高直流电压。如果绝缘体存在缺陷，则它将由于所施加的电压而导致在该点的绝缘中断。该测试只能在马达停机的情况下执行并且可为破坏性的。

-检测通过由电晕或表面放电使空气电离所形成的特定类型的气体。这些方法主要涉及臭氧和NOx。

-欧姆定律差的测量。

-delta的正切的测量。

-Terase标准。

所有这些方法具有一定值，但它们需要马达的系统性停机，或者需要对局部放电现象对绝缘体的影响进行十分困难的解释。该解释通常是有风险的，因为局部放电的特征仅与绝缘体的状态存在间接联系。

也可以列举可以确定局部放电特征的其它方法，但它们看上去并不适合于旋转机器的情形：

-热波测量，该测量利用由各种现象(电离、极化等)所产生的被捕捉在绝缘体中的空间电荷。该方法在于施加温差，该温差感生出依赖于源自这些空间电荷的电场的电流。该方法通常应用于绝缘电缆。

-声学测量，其检测在放电时所产生的超声波排放。该方法特别适合于变压器。

发明内容

本发明的目的在于减少上面列举的现有技术的所有或部分缺点。

首先，本发明涉及一种用于跟踪旋转机器中的绝缘体的劣化的方法，该旋转机器至少包括置于封壳内的转子和定子，该封壳限定出包括至少90％的体积(体积百分比)的空气的内部气氛，并且该旋转机器可选地包括用于冷却该气氛的冷却系统，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(a)测量位于形成所述旋转机器的内部气氛的气体中或与其接触的一个或多个随机位置处的CO(一氧化碳)的浓度和NO₂(二氧化氮)和/或O₃(臭氧)的浓度，以及

(b)观察、用信号告知和/或存储所述测量的结果。

根据本发明，所述旋转机器可为产生由转子所施加的扭矩形式的机械能的耗电设备，和从传输至其转子的机械能生成电能的设备。所述设备最常见地在至少3kV的电压下操作。转子和定子通常覆盖有需要对其劣化进行跟踪的绝缘材料。根据一个特别的方面，该旋转机器为压缩机或增压机。

该旋转机器本身置于保护性封壳例如外壳内。该封壳通常具有许多孔口，以便允许特定电缆、气体等通过。然而，该封壳使得存在于转子和定子周围的气体根本不会或极少与封壳外部的气氛混合。该旋转机器的内部气氛通常通过通风口或通过较复杂的系统来冷却，所述系统可包括用于使该气氛运动的装置以及形成该气氛的气体在其中循环的热交换器。

内部气氛主要包括空气，也就是说超过90％的体积(体积百分比)为空气。发明人已注意到，该气氛具有特定组分，不仅包括源于空气电离的气体类型，而且在特定时间包括可检测到的量的一氧化碳。他们还已确定，该CO的量以能够与绝缘体的劣化状态相关联的方式变化，其与通过利用源于空气电离的类型的量与绝缘体的劣化状态相关联相比更恰当。特别地，他们已揭示CO的量在绝缘体失效之前显著增加。

具体地，从以下、特别是对图2的说明中将看出，测量CO必须与测量NO₂和/或臭氧相关联。测量NO₂和/或臭氧采用类似于测量CO的方法进行。测量这些新类型的传感器可为新型传感器，与测量CO的传感器不同，或可为相同的传感器。这些传感器于是被称为“多类型”传感器，其能够同时或相继地测量若干所考虑的气体类型。

为了执行用于测量CO的步骤(a)，可将CO传感器放置在形成或源于所述内部气氛的气体中或与该气体接触的随机位置处。如果测量不通过接触进行，则所述传感器也可位于气体周围。所述传感器根据它们的几何形状、它们相应的操作(电化学、辐射等)定位，以便在各种部位或区域不论是否同时但优选连续地获得一个或多个CO浓度的值，并且不妨碍旋转机器的平稳运行。

在步骤(b)中，可以通过如下方式使用这些结果：例如在靠近旋转机器或在控制室中的屏幕上观察这些结果或通过例如利用与预定情况对应的一个或多个可听信号来通过信号告知这些结果和/或为了远程和/或后续处理的目的而存储这些结果。

根据一个特别的实施例，本发明可包含以下特征中的任一个或其它：

-在一个或多个传感器的协助下进行所述测量，所述一个或多个传感器位于：

-所述旋转机器的气隙中或其定子上的随机位置处，或

-所述封壳的内壁上或所述封壳的孔口上的随机位置处，或

-所述壁上或用于冷却所述旋转机器的可选的冷却系统内，或

-用于提取来自所述旋转机器内部气氛的一部分的泵送系统中的随机位置处。

有利于测量的位置特别是在机器的气隙中，也就是说在转子与定子之间，在该气隙内或直接在定子上。传感器也可置于封壳的内壁上或附近、置于用于冷却旋转机器的可选的冷却系统中或置于用于吸入形成旋转机器的内部气氛的气体的一部分的专用泵中。上述最后两个可能性的优点在于它们提供了接近内部气氛的平均组分的气体混合物。该测量不再是局部的，而是涉及整个内部气氛。还可以有利地使用本身已通过使用例如光学或光谱技术产生浓度平均值的传感器。然后可以获得代表例如进入气隙的光学路径上的浓度平均值的测量。

根据另一方面，本发明还涉及一种用于对旋转机器进行预防性维护的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(i)根据上述方法中的任一种跟踪所述旋转机器的绝缘体的劣化，

(ii)分析来自所述跟踪的测量结果，例如检测CO浓度的显著增加，特别是在O₃和/或NO₂的浓度并未同时增加的情况下，或检测CO浓度的增加速度的变化，以及

(iii)采取以至少结合有在步骤(ii)中作出的分析为基础确定的维护动作。

对于本发明的该新颖方面，使用上面在第一步骤中限定的跟踪方法作为用于旋转机器的预防性维护的方法。当前述测量已被收集时，在第二步骤期间分析它们随时间推移的变化，以便检测前述气体类型的浓度变化和/或它们的变化速度，和/或这些标准的任何组合，所述变化是绝缘体劣化的标志。特别是可以列举伴随有NO₂的浓度和/或O₃的浓度的停滞或减小的CO浓度的增加作为决定性的标准。

由于各种类型的含量可取决于所述旋转机器的细节、测量位置、气体的混合程度或测量技术，因此该分析在性质上可为相对的。可通过在分析之前引入校准步骤来去除该相对性，以便适应分析标准，特别是浓度或浓度的增加速度的阈值。也可使用非相对的分析标准，例如相对于历史值的显著增加，或所述类型之一的且与另一类型的增加不相关的急剧增加。

通过其它方法收集的其它数据也可完成该结果。

分析结果是，不论是否使旋转机器停机以进行更深入的检查，均可选地接下来对机器进行有效的维护操作。因此可以看出，该方法可以限制旋转机器的不必要的停机次数和防止可能导致损坏定子和转子的故障。

特别地，维护动作可包括以下步骤：

(iii-a)使所述旋转机器停机，

(iii-b)执行该机器的绝缘体的状态的视觉检查和/或一个或多个测试(例如，测量绝缘电阻或极化指数)，和/或

(iii-c)对旋转机器执行可能的调节。

根据前述方法的一种特别的模式，所述旋转机器为：

-用于驱动气体、特别是空气、氧气、氮气、氩气、氢气、一氧化碳或二氧化碳、合成气体的工业压缩机的电动马达，或

-形成用于电和热流体例如蒸汽的联产的单元或联合循环的一部分的发电机，或

-驱动泵、特别是水泵的电动马达。

该实施例涉及用于工业气体领域中的主要旋转机器、压缩机马达、发电机和泵、特别是水泵，对于它们来说重要的是使操作中断最少。如今，用于这些机器的计划维护的停机越来越少。日益有用的是能够在计划停机之间的增加的时间间隔期间检测这些机器的绝缘体中的任何异常劣化。

本发明还涉及一种用于跟踪旋转机器的绝缘体的劣化的装置，该旋转机器至少包括置于封壳中的转子和定子，该封壳限定出包括至少90％的体积(体积百分比)的空气的内部气氛，并且该旋转机器可选地包括用于冷却该气氛的冷却系统，其特征在于，该装置至少包括：

-一个或多个传感器，各传感器传送代表CO浓度的信号并置于形成所述旋转机器的内部气氛的气体中或与其接触，

-用于感测NO₂和/或O₃的浓度的一个或多个传感器，所述一个或多个传感器置于形成所述旋转机器的内部气氛的气体中或与其接触，

-一个或多个电路板，所述一个或多个电路板与这些传感器连接并用于适配传感器的信号，所述电路板可选地与所述传感器不同，

-用于获取和可能地存储由电路板适配的信号的一个或多个模块，以及

-用于通过电缆或通过无线电波用信号告知和/或观察和/或传输这些经处理的信号的一个或多个模块。

在该装置中，各传感器传送传输至一个或多个常规结构的电路板的信号。例如，这些传感器可具有与所述气体类型之一的浓度相关联的电阻。然后将它们的电阻与电路板电连接，该电路板然后将该可变电阻例如转换成电压，同时过滤并稳定其信号。所述电路板可位于传感器附近或与获取模块相隔一定距离，例如在共用壳体中。

然后电力地或通过无线电波例如通过SMS观察和/或传输这些信号。

根据特别的模式，该装置可具有以下特征中的一些：

-所述CO传感器可以测量NO₂和/或O₃的浓度。

-所述传感器位于：

-所述旋转机器的气隙中或其定子上的随机位置处，或

-所述封壳的内壁上或所述封壳的孔口上的随机位置处，或

-所述壁上或用于冷却所述旋转机器的可选的冷却系统内，或

-用于提取形成所述旋转机器的内部气氛的气体的一部分的泵送系统中的随机位置处。

所述传感器可为单类型(测量单个气体类型的浓度)或多类型(测量若干类型的浓度，不论是否同时测量)。

本发明还涉及一种工业气体、特别是空气、氧气、氮气、氩气、氢气、一氧化碳或二氧化碳、合成气体的压缩机，所述压缩机由电动马达驱动且特征在于所述马达配设有上面限定的跟踪装置中的任何一个。

类似地，本发明涉及一种形成用于电和热流体例如蒸汽的联产的单元或联合循环的一部分的发电机，其特征在于该发电机配设有上面限定的跟踪装置中的任何一个。

联产流体可为蒸汽或其它“热”流体，例如热油。

类似地，本发明涉及一种泵，特别是水泵，其由至少一个电动马达驱动且特征在于所述至少一个马达配设有上面限定的跟踪装置中的任何一个。

同样，本发明延伸地涉及一种用于分离空气或用于生产一种或多种工业气体例如空气、氧气、氮气、氩气、氢气、一氧化碳或二氧化碳、合成气体的方法，其特征在于，该方法利用了一个或多个上面限定的压缩机。

最后，本发明延伸地涉及一种用于电和热流体例如蒸汽的联产或联合循环的方法，其特征在于，该方法利用了一个或多个上面限定的发电机。

附图说明

在阅读以下参照附图进行的描述后，本发明的其它特别的特征和优点将显而易见，在附图中：

-图1表示装配有根据本发明的装置的旋转机器，

-图2表示图示出在承受增加的电压的绝缘体附近测出的CO、NO₂和O₃的浓度之间的联系的曲线图。

具体实施方式

图1以非限制性的方式示意性地示出了利用根据本发明的跟踪方法的装置，该方法也是预防性维护方法的基础。

该旋转机器处于封壳或外壳1中。所述封壳限定出具有定子2和转子3的内部气氛。在这两个元件之间，存在被称为“气隙”的空间。该旋转机器还设有：

-用于冷却其内部气氛的冷却系统5，其通过使形成所述内部气氛的气体与冷源(未示出)进行热交换而工作，

-泵4，其可以抽吸所述内部气氛的一部分。

传感器6设置成位于形成该内部气氛的气体中或与其接触，以用于测量CO的浓度。所有这些传感器还测量NO₂和O₃的浓度。这些传感器是半导体氧化物传感器。该技术特别是允许传感器的小型化(直径约为1cm且高度约为1cm)。此外，所述传感器在高达80℃以上的高温下正常工作。也可使用其它类型的传感器，例如基于光谱技术的传感器，尤其是为了获得传感器的更好的化学选择性。在图1中，每个传感器具有三个电阻器，各电阻器通过简单的数学函数与所述气体类型之一的浓度相关联。在此示例中，这些传感器因此是三类型传感器。

传感器之一6a在所述旋转机器的气隙中定位在定子2上。传感器6b定位成抵靠在封壳1的内壁上；传感器6c靠近封壳1并处于所述旋转机器的气隙中；传感器6d抵靠在冷却系统5的内壁上，其监视来自所述旋转机器的内部气氛的气体通过。6e处于所述冷却系统5内部，在源自所述旋转机器的气体的通路上。6f处于用于提取形成所述旋转机器的内部气氛的气体的一部分的所述泵4中。

这些传感器与电路板7电连接，电路板7借助于桥式电阻将各传感器6a至6f的三个电阻转换成许多模拟信号，例如电压。这些电路板7还执行过滤和稳定这些信号的常规功能。电路板7所产生的模拟信号被发送至用于以数字形式采集和可能的存储的一个或多个模块8。这些数字数据的内容然后由装置9例如显示在屏幕上，并通过SMS发送以便远程处理。

所示的旋转机器可为用于压缩工业气体例如空气的马达，或例如与燃气轮机联接的发电机，或工业水泵的马达。

然后根据上述预防性维护方法可选地分析所观察或发送的结果。

现参照图2说明本发明所基于的测量的针对性。

发明人已进行大量实验来确定由于各种类型的绝缘体附近或其中的局部放电所出现的气体类型以及最适合于检测这些气体类型的传感器的类型的特征。

图2中的曲线图归纳了这些实验之一的结果，其中：

-材料、优选地绝缘材料——在该情形中为厚度为1mm的环氧树脂盘——通过介质阻挡以点-平面几何形状承受放电。

-逐渐增大用于产生放电的电压，这使放电功率逐渐升高，直到绝缘体失效，也就是说直到实际上使其绝缘能力丧失的介电材料发生不可逆的劣化，

-在清洁空气流中，通过受控的湿度收集在放电期间形成的稳定的气体类型，

-通过各种装置来测量这些气体类型，所述装置一方面是测量上述O₃、NO₂和CO的浓度的传感器，另一方面是采用傅里叶变换作为样本测量的可视UV或红外吸收光谱仪，

-将所有这些传感器布置在放电下游的湿空气中或与其接触。

在图2中，X轴代表待进行测试的绝缘体所承受的电压U。这些值无量纲且一直升至在值18处的失效电压，该失效电压由闪电符号表示。左侧的Y轴代表O₃和CO的浓度，而右侧的Y轴(或第二轴)代表NO₂的浓度。这些浓度以ppm(百万分之几)示出，也就是说以体积分数示出。

在该坐标系中，三条曲线代表CO、NO₂和O₃的浓度随从零到失效电压所施加至绝缘体的放电功率的变化。该曲线图已被分为通过标号为1至4的虚线矩形示出的四个区。

起初，这三种气体类型的浓度保持很低(区

)。然后，随着放电功率增加，出现臭氧及很小量的一氧化碳(区

)。当放电功率已增加足够大时，臭氧的浓度下降，而NO₂的浓度形成峰值且一氧化碳的浓度增加(区

)。在失效之前不久，NO₂的浓度转而减小而一氧化碳的浓度出现峰值(区)。

因此，通过多次进行这种类型的实验，发明人已能够证实一氧化碳的浓度的增加可以以极恰当的方式预期电介质的失效，特别是在这种增加并未伴随有NO₂和/或O₃的浓度的增加的情况下。

鉴于以上说明和解释，可以理解本发明的主要优点是：

-为目前使用的电气测量提供了补充并使绝缘体状态的诊断可靠，

-提供了应用于所有类型的绝缘体和任何类型的旋转机器的通用方法，

-限制了用于检测的停机次数和旋转机器的故障次数，

-由于CO、NO₂和/或O₃传感器比较便宜，因此本发明可基于低成本的跟踪装置，

-提供了易于根据气体类型的占优势、出现和消失进行解释的测量结果。

Claims (10)

1.一种通过跟踪旋转机器中的绝缘体的劣化来进行旋转机器的预防性维护的方法，所述旋转机器至少包括置于封壳（1）内的转子（3）和定子（2），所述封壳限定出包括按体积计至少90%为空气的内部气氛，所述方法的特征在于包括以下步骤：

（a）在位于形成所述旋转机器的所述内部气氛的气体中的或与所述气体接触的一个或多个随机位置处测量CO（一氧化碳）的浓度和NO₂（二氧化氮）和O₃（臭氧）的浓度，

（b）观察和/或用信号告知和/或存储所述测量（7，8，9）的结果，

（c）通过检测CO浓度的显著增加、同时O₃和NO₂的浓度并未增加来分析测量结果，以及

（d）采取基于至少结合有在步骤（c）中作出的分析所确定的维护动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转机器包括用于冷却所述气氛的冷却系统（5）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测量在一个或多个传感器（6）的协助下进行，所述一个或多个传感器置于：

-所述旋转机器的气隙中的或所述旋转机器的定子上的随机位置（6a，6c）处，或

-所述封壳（1）的内壁上的或所述封壳的孔口上的随机位置（6b）处，或

-用于提取来自所述旋转机器的所述内部气氛的一部分的泵送系统（4）中的随机位置处。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量在一个或多个传感器（6）的协助下进行，所述一个或多个传感器置于：

-用于冷却所述旋转机器的所述冷却系统（5）的壁（6d）上或用于冷却所述旋转机器的所述冷却系统（5）内（6e）。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述维护动作包括以下步骤：

（iii-a）使所述旋转机器停机，

（iii-b）执行该机器的所述绝缘体的状态的视觉检查和/或一个或多个测试，和/或

（iii-c）对所述旋转机器执行调节。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（iii-b）包括测量绝缘电阻或极化指数。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述旋转机器为：

-电动马达，该电动马达驱动气体的工业压缩机，或

-形成用于电和热流体的联产的单元或联合循环的一部分的发电机，或

-驱动泵的电动马达。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气体是空气、氧气、氮气、氩气、氢气、一氧化碳、二氧化碳或合成气体。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热流体是蒸汽。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述泵是水泵。

Images