2.1.2 設備故障機理

1. 設備故障模式

設備故障模式是以不同表現形態來描述故障現象的一種表征。電力設備常見的故障形態，如異常振動、疲勞、腐蝕、蠕變、磨損、脆性及塑性斷裂、絕緣劣化等。設備故障模式的概率分布典型調查見表2-1。

從表2-1中看出異常振動故障模式在轉動機械中所占比例達到30%。靜止設備腐蝕與裂紋比例最大，兩者合計近50%。在電力設備中，絕緣劣化所占比例達到62%。

針對概率最大的故障模式設置監測裝置加以診斷，可有效地提高故障診斷的可靠性。

2. 設備故障機理

故障機理是指誘發零部件、設備系統發生故障的物理與化學過程、電學與機械學過程，也可以說是形成故障源的原因，故障機理還可以表述為設備的某種故障在達到表面化之前，其內部的演變過程及其因果原理。弄清發生故障的機理和原因，對判斷故障，防止故障的再發生有重要的意義。

故障的發生受空間、時間、設備（故障件）的內部和外界多方面因素的影響，有的是某一種因素起主導作用，有的是幾種因素共同作用的結果。所以，研究故障發生的機理時，首先需要考察各種直接和間接影響故障產生的因素及其所起的作用。

（1）對象

指發生故障的對象本身，其內部狀態與結構對故障起抑制與誘發作用，即內因的作用，如設備的功能、特性、強度、內部應力、內部缺陷、設計方法、安全系數、使用條件等。

（2）原因

能引起設備與系統發生故障的破壞因素，如動作應力（體重、電流、電壓、輻射能等），環境應力（溫度、濕度、放射線、日照等），人為的失誤（設計、制造、裝配、使用、操作、維修等的失誤行為），以及時間的因素等故障誘因。

（3）結果

指輸出的故障種類、異常狀態、故障模式、故障狀態等。

一般來說，故障模式反映著故障機理的差別。圖2-2示出了故障機理與故障模式的因果關系圖。從圖2-2可見，即使故障模式相同，其故障機理也不一定相同。同一故障機理，可能出現不同的故障模式。也就是說，縱然故障模式不同，也可能是同一機理派生的。因此，即使全面掌握了故障的現象，也并不等于完全具備搞清故障發生原因和機理的條件。搞清故障現象是分析故障發生機理和原因的必要前提。

3. 異常振動

引起電動機振動異常的原因很多，產生振動的部位與振動特性各不相同。總體看有以下幾方面：

1）三相交流電動機定子異常產生的電磁振動。三相交流電動機在正常運轉時，機座上受到一個頻率為電網2倍頻率的旋轉力波的作用，可能產生振動，振動大小與旋轉力波的大小和機座的剛度直接有關。

2）氣隙靜態偏心引起的電磁力。電機定子中心與轉子軸心不重合時，定、轉子之間氣隙將會出現偏心現象，偏心固定在一個位置上。在一般情況下，氣隙偏心誤差不超過氣隙平均值的±10%是允許的，過大的偏心值會產生很大的單邊磁拉力。

3）氣隙動態偏心引起電磁振動。偏心的位置對定子是不固定的，對轉子是固定的，因此偏心的位置隨轉子而轉動。

4）轉子繞組故障引起的電磁振動。

5）轉子不平衡產生的機械振動。

轉子不平衡的原因：①電機轉子質量分布不均勻，產生重心位移，與轉子中心不同心。②轉子零部件脫落和移位，絕緣收縮造成繞組移位、松動。③聯軸器不平衡，冷卻風扇不平衡，帶輪不平衡。④冷卻風扇與轉子表面不均勻積垢。

6）滑動軸承由于油膜渦動產生振動。

7）滑動軸承由于油膜振蕩產生振動。

油膜振蕩產生的原因：油膜振蕩產生的原因和油膜渦動產生的原因相同，也是油膜動壓不穩造成的。當轉子回轉頻率增加時，油膜渦動頻率隨之增加，兩者關系近似保持不變的比值，在0.42～0.48之間。當轉軸的回轉頻率達到其一階臨界轉速的2倍時，隨著轉子回轉頻率的增加，渦動頻率將不變，等于轉子的一階臨界轉頻，而與轉子回轉頻率無關，并出現強烈的振動，這種現象稱油膜振蕩。產生強烈振動的原因是油膜渦動與系統共振，兩者相互激勵，相互促進的結果。對油膜振蕩來說，除了油膜性質改變以外，轉子不平衡量的增加和地腳螺釘的松動都會誘導油膜振蕩的發生。

8）加工和裝配不良產生振動。

9）安裝時，軸線不對中引起振動。

機組安裝后，電動機和負載機械的軸心線應該一致相重合。當軸心線不重合時，電動機在運行時就會受到來自聯軸器的作用力而產生振動。

不對中分為三種情況。①軸心線平行不對中（偏心不對中），就是電動機與負載機械軸心線雖然平行，但不重合，存在一個偏心距，隨電動機轉動，其軸伸上就受到一個來自聯軸器的一個徑向旋轉力的作用，使電動機產生徑向振動。振幅與偏心距大小和轉速高低有關，頻率是轉頻的兩倍；②軸心線相交不對中，當電動機與負載機械軸心相交時，聯軸器的結合面往往出現“張口”現象。電動機轉動時，就會受到聯軸器的一個交變的軸向力作用，產生軸向振動，頻率與轉頻相同；③軸心線既相交又偏心的不對中。

4. 疲勞裂紋形成機理

疲勞故障模式分為高頻疲勞、低頻疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和熱機械疲勞、腐蝕疲勞等。

高頻疲勞是工程中最常見的疲勞故障，它是低應力（循環應力σ<<σ_S屈服極限）、長壽命（失效循環數N＞105次），具有突發性、局部性及對缺陷的敏感性等特點，如汽輪機葉片等損傷。

低頻疲勞亦稱應變疲勞或塑性疲勞，其循環應力σ≥σ_S屈服極限，失效循環數N＜105次，如鍋爐汽包及壓力容器等損傷。

高溫疲勞是部件循環應力處于高溫條件下產生的疲勞，如汽輪機轉子等各類損傷、內部產生較大的熱應力的情況。由于熱應力的交變作用而引起的失效，在交變熱應力作用下產生疊加有交變的機械應力，稱為熱機械疲勞。

腐蝕疲勞是其部件在腐蝕介質和循環應力共同作用下導致的失效，如汽輪機葉片、低壓轉子主軸。

5. 腐蝕機理

腐蝕按機理分為化學腐蝕和電化學腐蝕。

6. 蠕變機理

金屬在高于一定溫度下受到恒應力作用，即使應力小于屈服強度也會隨著時間的延長而緩慢地產生塑性變形，這種現象稱為蠕變。

7. 磨損

磨損是在一個物體與另一個固相的、液相的或氣相的對偶件發生接觸和相對運動中，由于機械作用而造成的表面材料不斷損失的過程。磨損是設備故障最常見的模式，據統計全世界總能耗的1/3～1/2消耗于摩擦，一般機器中75%～85%的零部件是因磨損而報廢的。

磨損按其表面物質損耗的不同機理分為粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損、微動磨損和表面疲勞磨損。目前，人們公認的最重要的四種基本磨損類型（機理）是粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和化學磨損（磨蝕磨損）。不同磨損類型有不同的磨損表面的外觀表現，見表2-2。

8. 塑性及脆性斷裂

（1）塑性斷裂

當部件所承受的應力大于材料的屈服強度時，將發生塑性變形。如果應力進一步增加就可能發生斷裂，稱為塑性斷裂，它一般發生于靜力過載或大能量沖擊的惡劣工況下。

（2）脆性斷裂

部件的脆性斷裂是指部件材料的力學性能變化不大，而韌性急劇下降，斷裂時幾乎沒有塑性變形，斷裂過程極快而吸收能量極低的突發性破壞現象。

9. 絕緣老化

絕緣老化是指因電場、溫度、機械力、濕度、周圍環境等因素的長期作用，電工設備絕緣在運行過程中質量逐漸下降、結構逐漸損壞的現象。絕緣老化的速度與絕緣結構、材料、制造工藝、運行環境、所受電壓、負載情況等有密切關系。絕緣老化最終導致絕緣失效，電力設備不能繼續運行。詳細內容參見3.2節。