银杉电池/国核示范电站提出新型核电厂电机综合试验系统

　　国核示范电站公司技术团队提出新型核电厂电机综合试验系统

　　国核示范电站有限责任公司的常森伟、焦佳欢，在2023年第9期《电气技术》上撰文，介绍了核电厂电机综合试验系统的主要结构，讨论系统设计及其实际应用。该系统通过特殊的电路设计和试验控制软件能够实现一次接线即可按逻辑自动完成所有试验项目，电机数据管理系统和电机健康评价系统为核电厂电机设备管理提供了有力支撑。该系统的应用可提高核电厂内电机试验效率和质量，降低核电厂电机检修成本。

　　电机广泛应用于核电厂各个工艺系统内，其可靠运行与核电厂的生产效益甚至核安全直接相关。电机的绝缘性能、旋转振动性能、电气连续性能等都会影响电机运行的可靠性，维修人员必须能够在电机检修后通过试验手段对电机健康及性能做出全面和准确的判断，从而确保电机在工艺系统中的可靠稳定运行。 传统的电机试验方法需要根据不同试验项目更换不同的试验仪器，进行多次拆接线，反复上电。

　　在电机空载测试过程中，维修人员手持测振仪器和测温仪器对电机运行的振动和温度进行测量，人工读取并记录数据后对相应的电气量进行计算，再对试验结果进行分析比较。传统方法工作耗时长、接线复杂、操作繁琐、工作量较大，试验结果受试验操作人员的经验及技能水平影响较大，试验由人工分析判断容易出错。因此，有必要建立一套电机综合试验系统来规避传统试验方法的缺点。 当前，数字化自动测试仪器仪表广泛应用于测量领域，设备综合试验测试平台的研究已成为一个热点。电机试验平台可以充分利用数字技术、调节技术、编码技术、接口技术、传感技术和数模转换技术等实现微机化和自动化。

　　国内外已有相关单位在电机智能测试等方面做了一些研究，也有公司制造出了电机性能综合测试仪，但聚焦点都在电机性能本身的测试。 对于核电厂，不仅要关注电机本身的试验数据，还要关注全厂电机信息和试验数据的管理、电机健康状态的评价等。本文所建立的电机综合试验系统在总结前人工作的基础上进行资源整合和创新，能够实现一次接线即可一键顺序完成电机所有试验，自动完成试验数据分析及评判，最终给出被试电机健康状态评价结论。通过试验平台软件可以对试验过程进行可视化管理，并实现安全隐患下快速停机，完成数据的分析、处理、评价和存储，以及自动生成和打印试验报告。 1 试验系统总体设计 1.1 总体设计目标 电机综合试验系统的设计目标是“一次接线、一次设置、一键试验”。

　　该系统可以满足不同容量、不同起动方式电机的综合试验需求，被试电机通过一组测试线缆与试验电源系统连接，通过试验控制台自动完成被试电机的所有测试项目，电机测试数据能够自动导入数据管理系统，测试报告按照已设置的模板自动打印。 系统内置电机健康评价子系统，在完成电机所有测试后自动调取数据管理子系统内被试电机的历史数据，按照建立的电机健康评价模型，根据当次试验数据经软件计算得出被试电机的健康得分，为核电厂维修人员提供参考。电机综合试验系统实拍照片如图1所示。

　　图1 电机综合试验系统实拍照片 1.2 综合试验系统架构 电机综合试验系统主要分为试验电源控制柜、试验控制台、电机试验平台、数据管理系统及健康评价系统五个部分，各部分功能相对独立，可独自完成设计功能，通过高速工业以太网将各部分相互联系，形成一个统一的电机综合试验系统。电机综合试验系统架构如图2所示。

　　图2 电机综合试验系统架构 2 试验系统组成 2.1 试验电源控制柜 电源控制柜包含一个电源柜和三个不同的起动柜。电源柜为整个试验系统提供试验所需的动力和控制电源。一个工频起动柜包含两个配电间隔，分别用于10kW以下的较小功率电机和不大于30kW的电机试验。两个不同容量的变频起动柜分别用于不大于75kW和不大于160kW的电机试验。 起动柜电源系统控制方式分为就地控制和远程控制两种，本地面板操作为就地控制操作。电气主回路通过接触器搭建不同测试项目的独立回路，独立回路包括直流电阻、绝缘电阻、匝间短路、交直流耐压和电机空载等试验电路。电源控制柜具有远程通信和控制接口，远程控制方式通过试验控制台的控制信号改变控制柜内接触器的分合状态，形成不同试验所需要的独立回路。电源回路配置有热继电器等相应保护装置，能够实现电机的过电压、过电流、输出短路、接地等保护。

　　2.2 试验控制台 试验控制台集成了所有电机试验项目所需的仪器仪表、可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)控制系统、试验操作台、工控机、显示屏、打印机等设备，完成电机试验的操作和试验数据采集、分析、评价功能。 PLC、试验操作台与工控机之间采用RS 485通信连接，以确保通信高速、可靠和抗干扰。试验控制台的控制模式为：以工控机为人机交互操作界面和数据采集分析中心，以PLC为控制核心，以电源控制柜内的变频器和接触器为执行机构。 工控机内安装有电机自动试验控制系统软件，软件内设立电机标准参数数据库，试验控制系统软件对被试电机的测试数据具有自动记录、判定结论和保存功能。

　　工控机把电机自动试验控制系统软件的控制指令传送到PLC，由PLC完成相应的过程控制和所有开关量信号的输入、输出操作。 在电机试验前，维修人员可以根据自动排列或模糊查询的方式选择被试电机的型号，在完成型号选择后，对应型号的电机参数自动从数据管理系统中调取并设置。自动试验系统软件除了可以根据型号自动设置被试电机标准参数外，还可以手动填入被试电机标准参数。试验系统软件预先输入各种型号电机的参数的合格范围，在自动测试过程中系统调入标准参数自动判断被试电机合格与否，若测试数据超出合格范围，自动测试系统则自动停止测试，并发出告警信号。 自动试验系统软件设计包含自动和半自动试验两种模式。自动试验只需连接一次试验线缆，按下起动按钮后，试验软件即控制试验系统按顺序自动完成选定的所有试验项目。半自动试验在每个试验项目开始前需要维修人员手动确认试验项目开始。

　　2.3 电机试验台 电机试验台为一个长3m、宽2m的铸铁平台，带T型槽。铸铁平台配套有压紧装置用于卧式电机的固定，能够在水平面内灵活调整，对基座的压紧力大小可调整，以满足电机空载试验的需要。对于立式电机，试验台配备了两套板组和一套垫高块，垫高块沿垂直于试验台的侧壁凹设有通孔，第一套板组穿设于通孔且将垫高块压紧于试验平台，垫高块用于支撑立式电机，第二套板组将电机与垫高块之间加紧。 铸铁平台包含红外热成像测温装置、无线测振探头、无线转速测试仪等设备，可以实现在空载试验时对被试电机温度、振动、转速等数据的实时测量。温度数据由红外热成像探头输出模拟信号，经工业以太网传输至工控机。振动数据采用无线传输方式传递给试验控制台的无线信号接收模块，工控机通过RS 485通信直接读取电机空载振动的数据。

　　2.4 数据管理系统 数据管理系统软件运用超文本预处理器(hypertext preprocessor, PHP)语言对超文本标记语言(hyper text markup language, HTML)后台控制器进行开发，使用Java语言对数据管理系统的操作界面进行整合，开发结构化查询语言(structured query language, SQL)数据库用于自动测试系统和数据管理系统的数据交互。 数据库用于存储厂家、型号、编号、参数、日期等输入数据和实测与经数据处理所得到的结果数据，试验数据主要包含折算后的绝缘电阻、直流电阻、直流泄漏电流、空载电流、电机空载运行温度、电机空载运行振动值等。除此以外，还能够查看被试电机的各个试验项目数据的历史变化趋势，直观显示被试电机的性能变化。

　　2.5 电机健康状态评价系统 电机健康状态评价系统是利用现代信息技术对电机试验数据进行采集、整合与分析，给被试电机健康状态以量化评分，从而为核电厂维修人员提供电机健康状态评判依据。该系统由数据采集系统、数据库系统、分析系统、预警及反馈系统等多个子系统构成，其架构如图3所示。

　　图3 电机健康状态评价系统架构 系统的工作方式是：首先通过数据采集平台将电机不同类型数据包括基本信息、评价数据、测试数据等多方面数据进行全方位、持续采集，建立被试电机个体评价大数据;数据优化平台对原数据中的无效数据进行自动化清理，再由数据分析系统进行挖掘分析。 系统将数据挖掘分析形成的规律经电机专家审定后纳入评判规律库中，另外，系统进一步结合分析结果和已有规律库为电厂维修人员提供结果反馈，并针对数据挖掘分析过程中发现的异常情况及时向电厂维修人员发出预警信号。 预警及反馈系统是电机健康状态评价的核心，系统采集电机试验数据，通过数据分析系统进行挖掘分析，再结合规律库对分析结果进行异常值的评估，如果诊断数据存在异常状况，系统就向维修人员发出预警信号。 电机健康评价系统的评价指标使用量化方式进行分配，对电机直流电阻、直流电阻不平衡度、绝缘电阻、直流耐压、交流耐压、匝间绝缘强度、空载电流、空载电流不平衡度、空载振动值及空载温升共10个维度的试验数据进行分析，对每个维度的试验结果设置打分评判标准，最终通过加权算法计算电机健康评价的总体得分。

　　2.6 试验系统安全保护 由于电机试验系统的功率较大，整个试验系统的安全可靠性至关重要，本试验系统电气保护分为以下四部分。

　　1)电流速断保护功能，主要由试验电源柜内的继电保护回路完成，可以在被试电机发生故障后几毫秒至几十毫秒内动作，切断电源。

　　2)振动、温度等非电量的超限快速保护由自动试验系统软件完成，自动试验软件检测到相应量值超限，向PLC发出停止测试指令，测试终止，并发出声响报警信号。

　　3)当某项电气参数测量值超过设定值时，自动试验软件向PLC发出停止试验指令，试验终止，并发出声响报警信号。

　　4)除了针对试验系统和被试电机的保护外，还有针对维修人员的安全围栏和试验紧急停运按钮，以确保维修人员的人身安全。

　　3 电机试验项目设计 参照有关标准，本试验系统设计有直流电阻、绝缘电阻、工频耐压、直流耐压及泄漏电流、匝间绝缘强度、电机空载等试验项目。

　　3.1 冷态直流电阻测量 直流电阻测试采用高精度的数字电阻测试仪，在半自动测量模式下，可采用四端测量技术，消除导线及接触电阻对被试电机直流电阻测量的影响。在全自动测量模式下，采用两端测量技术，需要在测量电机直流电阻前将测试线短接，测出导线及接触电阻，选择去除本底电阻，在此模式下，需要注意根据电机容量大小选择不同的直流电阻测试时间，在电机容量小于10kW时，直流电阻测量时间可选为3s，伴随电机容量增大，测量时间也随之增大。根据实践经验，在电机容量大于55kW时推荐测量时间为30s，以提高直流电阻测量的准确度。

　　3.2 绝缘电阻测量 本试验系统测量的电机绝缘电阻为三相绕组对电机外壳(地线)之间的绝缘电阻。在自动试验系统软件的参数设置栏，设置绝缘电阻测量的时间分别为15s和60s，以获取电机绝缘的吸收比。

　　3.3 交直流耐压测试 交直流耐压测试实现泄漏电流自动检测功能，在对被试电机进行交直流耐压测试前，分别测试本底泄漏电流，然后施加试验电压，将测得的泄漏电流减去本底泄漏电流即为真实的电机泄漏电流。

　　3.4 匝间绝缘强度测试 在《电力设备预防性试验规程》中，电机匝间绝缘试验并没有要求，常规的电机试验也无法检测出轻微的匝间短路。近年来，核电厂内多次发生因电机轻微匝间短路未被检测出而发展为相间短路导致电机绕组烧毁的事件。因此，在电机预防性试验时增加匝间绝缘强度测试项目越来越受到重视。 近年来，高校科研人员在电机匝间短路的检测、诊断、分析等方面做了大量工作，电机匝间绝缘强度测试方法也得到了极大的发展。

　　本试验系统采用高压脉冲冲击法进行匝间绝缘强度测试，采用闸流管作为开关器件，储能电容0.1μF，输出能量0.25J，以确保不损坏电机绝缘和不漏检。 检测时按照预设标准波形的采样速度和放大倍数，将调整好的匝间高压通过闸流管加到电机绕组上，对所产生的衰减振荡波形进行采样，用高速A-D测试系统，将匝间波形做数字化处理，通过工控机对波形的几个参量进行计算处理，得出波形的衰减率、频率和积分面积，三相电机匝间波形采用自比方式，三个绕组的波形在屏幕上重叠显示，系统自动比较相间波形的绝缘差值及面积差值，确定电机绕组是否存在匝间短路。

　　3.5 空载试验

　　1)电气量参数 被试电机在空载运行状态下连续运行至损耗稳定后，测取被试电机空载下的电压、电流、损耗、频率，根据标准参数表中规定的电压值对所测数据进行线性修正，计算功率因数和电流不平衡度。

　　2)非电气量参数 电机空载运行状态下的非电气量测量主要有温度、振动、转速等。温度测量采用两台非接触式红外热成像仪，分别布置在被试电机两侧，被试电机的温度以红外图像方式展现;振动测量采用磁吸式接触振动传感器，按相关标准要求布置传感器位置;转速测量采用无线转速测试仪直接测试电机轴的转速。

　　4 试验系统应用 本文以现场电动机预防性检修中两台同型号的异步电动机试验为例，介绍电机综合试验系统的应用。

　　采用全自动试验模式，试验完成后系统生成试验报告并给出电机健康状态评分，限于篇幅，本文仅摘录两台异步电动机主要试验数据见表1，其中振动和温度分别有5个和6个测点，表1中仅记录最大值。表1中R为电动机绕组直流电阻值，δ为三相直流电阻不平衡度。 从试验数据来看，电机1在直流电阻不平衡度、绝缘电阻值、交流泄漏电流、空载电流不平衡度等方面均优于电机2，因此，健康状态评价得分也高于电机2。

　　相对于传统的电机检修试验方法，本文电机综合试验系统的应用提高了电机试验效率和质量，减少了人工需求，对核电厂降本增效具有积极作用。两种试验方式的对比见表2。

　　表1 两台异步电动机试验数据

　　表2 两种试验方式的对比 5 结论 本文从某核电厂电机检修后试验的实际需求出发，设计开发了一套电机综合试验系统，本文电机综合试验系统对核电厂的电机维修工作具有以下重要意义： 1)实现电机检修后试验的一键化操作，一次接线即可完成所有试验项目，有效提升了电机试验效率、提高了电机试验的质量。 2)利用数据库系统实现全厂所有电机基本信息和试验数据的有效管理，为电机设备管理提供了数据支撑。 3)建立电机健康状态评价系统，实现以量化方式对电机健康状态的客观评价，为后续电机检修策略的不断优化提供信息支持。

　　本工作成果发表在2023年第9期《电气技术》，论文标题为“核电厂电机综合试验系统的研发与应用”，作者为常森伟、焦佳欢。