作者：赵世纯,等
出版社：电子工业出版社
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HDS电气设备带电状态诊断技术及应用试读：
内容简介
本书是在引进、吸收和消化国外HDS技术的基础上，完成电气设备制造的全部国产化后，为推广HDS技术而编著的。全书共7章，主要内容包括：典型电气设备故障类型及诊断方法、电气设备老化及电流谐波产生机理、HDS电气设备智能诊断算法、HDS电气设备谐波故障诊断系统、LK系列产品操作指南、LK系列产品管理软件操作指南及电气设备高次谐波诊断验证案例。
本书适合电气工程及自动化专业、测控技术与仪器专业学生及电气设备故障检测工程师、电气设备维修工程师参考。前 言
HDS（Harmonic Diagnosis System，谐波诊断系统）电气设备带电状态诊断技术源于发明专利“用于电气设备的谐波诊断方法”（中国专利号ZL200480003728.4和中国香港专利号HK1087778）。专利发明人高博先生1967年在京都大学攻读博士学位期间一直从事谐波检测技术的研究和数据积累，形成了完整的谐波诊断理论体系和专家数据库。2015年5月27日，上述专利的权利正式从日本阿泰克株式会社转移到中矿龙科能源科技（北京）股份有限公司名下。
为了使更多从事电气设备故障诊断技术研究的专家和学者更深入地了解和研究该项技术，并将其广泛应用于工业生产领域、楼宇、水电系统等的各种电气设备中，包含各种电动机、发电机、变频器、变压器、工业电容、UPS、大功率电池组及工业输电电缆等，中矿龙科能源科技（北京）股份有限公司组织了部分领导和专家，将HDS电气设备带电状态诊断技术的相关技术原理、技术规范及操作规程、注意事项整理成书，以求将该项技术发扬光大。依据谐波诊断技术所给出的检修时间，可实现针对性的检修维护，大幅降低各生产环节设备的非正常停机时间，减少不必要的工时浪费和配件损耗。
中矿龙科能源科技（北京）股份有限公司经过近3年的研发，已完成YGX1-12矿用本安型故障谐波检测仪（安标证书编号MFA130251）和YGX-127矿用隔爆兼本安型故障谐波检测仪（安标证书编号 MFA130252）两款产品，已开始批量生产的非安标产品有LK8000便携式HDS设备故障诊断仪、LK8000L便携式HDS电缆故障诊断仪、LK9000在线式HDS电力拖动系统故障诊断仪等。2015年，YGX1-12矿用本安型故障谐波检测仪获得北京市新技术新产品证书。与淮北矿业集团共同承担的“基于谐波分析技术的煤矿电气设备管理系统”科研项目获国家安监总局2015年安全生产科技成果奖。2015年6月与北京信息科技大学共同成立“北京谐波诊断技术研究院”，共同申报的“电气设备故障谐波采集与处理系统”项目获得北京市教委市属高校创新能力提升计划资助 300万元（2016—2018年）。
本书主要章节内容如下：
第1章典型电气设备故障类型及诊断方法，介绍了电力电缆、变压器、三相异步电动机、永磁同步电动机及直流电动机的常见故障类型及诊断方法。
第2章电气设备老化及电流谐波产生机理，介绍了电流谐波的概念、应力老化的类型、涡电流与谐波的关系、电气设备的异常/老化与谐波的关系、电气设备的高次谐波共振、电动机及变频器的感应电压、电气设备振动与谐波的关系、电动机效率特性与谐波的关系及高次谐波的电路理论。
第3章HDS电气设备智能诊断算法，介绍了模糊理论、神经网络、小波分析理论、贝叶斯网络、支持向量机及专家系统。
第4章HDS电气设备谐波故障诊断系统，介绍了谐波诊断系统的构成、高次谐波诊断数据样本、劣化诊断的判定算法、设备异常/劣化判断基准、LK系列诊断仪技术优势及电力平衡和负载模式。
第5章LK系列产品操作指南，介绍了专利及安全声明、LK系列产品安全检测规范、设备检测前置参数说明、低压三相异步交流电动机的检测方法、高压异步交流电动机的检测方法、带变频器的异步交流电动机检测方法、直流电动机的检测方法、发电机的检测方法、电力变压器的检测方法、电力电容器的检测方法、UPS不间断电源的检测方法、设备使用过程中的不当检测方法和常见问题及解决方法。
第6章LK系列产品管理软件操作指南，介绍了管理软件使用说明、管理软件的端口设置、修改企业名称、修改登录设备参数、趋势管理、趋势管理要点、报告解读说明和报告部分名词解释。
第7章电气设备高次谐波诊断验证案例，介绍了低压电气设备诊断验证案例、高压电气设备诊断验证案例及电力电缆诊断验证案例。
本书适合电气工程及自动化专业、测控技术与仪器专业学生及电气设备故障检测工程师、电气设备维修工程师参考。
由于作者水平有限，时间仓促，虽几易其稿，书中错误、不妥及疏漏之处在所难免，恳请专家学者和读者不吝指教。编著者2016年10月第1章典型电气设备故障类型及诊断方法1.1 电力电缆故障类型及诊断方法1.1.1 电力电缆故障性质
按故障性质区分，电力电缆故障分为开路故障和接地故障两类。（1）开路故障：电缆缆芯的连续性受到破坏，形成断线或者不完全断线。电缆相间或相对地的绝缘电阻值达到所要求的规定值，但工作电压不能传输到终端，或者虽然终端有电压，但是承载负载的能力不足，此类故障被称作开路故障。（2）接地故障：电缆缆芯之间或者缆芯和外皮之间的绝缘层遭到破坏，出现短路接地现象或者闪络性击穿现象。一般来讲，短路接地故障可以分为低阻故障和高阻故障两种。
①低阻故障：电缆缆芯之间或者相对地的绝缘受损，导致绝缘电阻减小，但是仍然可以用低压脉冲法来进行测量的故障。
②高阻故障：与低阻故障相比，故障电阻很大，以至于不能采用低压脉冲法进行测量的故障。高阻故障又分为泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障两种。1.1.2 电力电缆故障性质诊断方法
电力电缆故障性质的诊断过程其实就是对电缆的绝缘电阻情况和线芯情况进行测试的过程。可以根据电力电缆绝缘电阻的不同或者线芯的多少来诊断其故障性质类型，然后选择合适的测试方法测距。（1）低阻故障。一般情况下是指电缆单相或多相对地绝缘电阻或者不同线芯之间的绝缘电阻低于几百欧姆的故障，常见的有单相低阻接地、两相短路接地和三相短路接地等。与高阻故障的区别就是识别起来比较方便，用低压脉冲法即可检测出低阻反射波。如图1.1所示，当C相对地电阻RG =0时为短路故障，即低阻故障。依据电阻电桥法或低压脉冲法可检测电缆低阻故障。
①电阻电桥法。用万用表测试电缆相间和相对地（或金属屏蔽层）的电阻值。若电阻值小于10kΩ，则可认为是低阻故障。
②低压脉冲法。用低压脉冲法测试相间或相对地的波形。若波形中产生与仪器发射脉冲反极性的反射波形，则可判断存在低阻故障。一般低阻故障的电阻值小于几千欧姆。图1.1 电缆故障示意图（2）开路故障。是指在电缆各相绝缘良好的情况下，电缆单相或多相导体开路或者金属护层断裂的故障，即终端无正常的工作电压，或者即使有电压，但承载负载的能力也会很差。常见的现象如电缆被烧断或者施工挖断而导致电缆缆芯和电缆金属屏蔽层断开。开路故障一般都伴随着电阻接地现象而存在，发生的概率较低。如图1.1所示，当A相KR=∞时为开路故障。似断非断故障是指电缆的电阻不正常，其值大于电缆缆芯的正常电阻值，但又小于∞，常见的现象是电缆缆芯或者其金属屏蔽层的某一段似连非连，又或者电缆生产过程中接头部分的缆芯和金属屏蔽层工艺粗糙导致接触不良。其中断线故障是开路故障的一个特例，具体检测方法如下。
①万用表法。在测量单芯电缆时，在终端将其金属屏蔽层与缆芯短接，在始端用万用表欧姆挡测量缆芯到屏蔽层之间的电阻。若测试电阻为∞，则为开路故障；若测试电阻小于∞，但大于2倍缆芯的正常电阻，则为似断非断故障。
在测量三芯电缆时，若电缆有金属屏蔽层，则在终端将三相与金属屏蔽层短接，用万用表欧姆挡在始端分别测试三相对绝缘层及三相间的电阻值。三相电阻基本平衡，且三相对屏蔽层的电阻满足小于电缆缆芯的正常电阻2倍的条件。若电缆缆芯任意两组数据与三相 RU、RV、RW 任意一组数据中的电阻值为无穷大或大于2倍电缆缆芯的正常电阻，则可判断为开路故障；若电缆无金属屏蔽层，则可不测试相对地电阻，而应测试相间电阻，并且测试时尽量不用绝缘电阻表。
②低压脉冲法。通过用脉冲法测试电缆的相对长度及脉冲反射波形来判断电缆是否存在开路故障，此时无须将电缆另一端短接。此种方法对于缆芯及金属屏蔽层都有非常好的监测效果。（3）高阻故障。相对于低阻故障，高阻故障发生的概率相对较高，占全部电缆故障的80％左右。一般情况下是指电缆单相或多相对地绝缘电阻或者不同线芯之间的绝缘电阻低于正常值但高于几百欧姆的故障。针对这类故障，一般采用脉冲电流法或脉冲电压法进行检测。有时会因故障点受潮或进水使其绝缘电阻高于几百欧姆，这时可以采用低压脉冲比较法测距。（4）闪络性故障。相对于高阻故障，电缆绝缘电阻阻值非常高，当进行电缆耐压试验时，若电压超过某一数值，就会造成绝缘击穿，称之为闪络性故障。这类故障是高阻故障的极端形式，并不常见，偶尔会出现在预防性试验中，常用脉冲电流法或脉冲电压法中的冲闪方式进行测距。但由于这类故障常常是封闭性的，因而查找起来会有一些困难。（5）电缆主绝缘的特殊故障。这类故障常常发生在大范围进水而受潮的电缆、中间接头较多的低压电缆和因加工不良或被烧焦而导致铜屏蔽层或电缆护层发生故障的电缆上。由于采用脉冲法测试故障时会碰到没有反射脉冲波的故障，所以常采用电桥法测距。（6）单芯高压电缆护层故障。这类故障是由于电缆金属护层与大地间没用很好的绝缘引起的，二者之间除金属相外，就只有大地，而且大地的衰减系数非常大，如果采用脉冲法来测距，则只会影响测距效果，不会达到预期的标准，因而选用电桥法来测试这类故障。
综上所述，不同的故障性质类型所采用的测试方法也不尽相同，如表 1.1所示。表1.1 不同故障性质所采用的测试方法1.1.3 电力电缆故障测距的主要方法
电力电缆故障测距又叫粗测，是在电缆的一端使用对应的测试仪器初步确定故障距离，有利于缩短故障点的范围，便于更快地找到故障点。（1）“S”信号注入法。“S”信号注入法就是向故障电缆注入一个信号，通过检测此信号的电压或电流在故障电缆中的传播时间来计算测量点到故障点的故障阻抗，以故障距离和其故障阻抗成正比作为故障点位置的判断依据。信号注入法因为受信号强度的影响，所以定位效果必须依照现场实际运行为准。该方法除主要用于故障区段判断外，也可以用于故障测距。（2）微分方程法。微分方程法又称暂态阻抗法，其是通过列写故障线路的暂态微分方程，利用测量的暂态故障电流和故障电压信号来计算测量点到故障点之间线路的电感，从而实现故障测距的。该方法由于不受中性点运行方式的影响，因而故障测距的灵敏度大大提高，并且克服了故障信号微弱难以用于定位的缺点。但由于所使用的模型并没有考虑到故障线路的分布电容，因而故障测距的误差比较大，不能满足实用化的要求。（3）行波法。当电缆发生故障时，线路的参数会发生突变，根据行波理论，线路上发生的任何扰动，线路上的电气量均以行波形式沿着线路向系统的其他部分传播，在突变点处发生信号的反射和折射，因此，在理论上可以利用测量点的暂态行波信号来实现各种类型的故障测距。行波法可以分为单端法和双端法，单端法通过测量行波在故障点与母线之间往返一次的时间来进行测距；双端法则利用故障行波到达两端的时间差来计算一端到故障点之间的距离。由于双端法需要利用GPS时钟同步装置，经济成本高，当输电线路输电距离较长或配电网结构复杂时，信号在传输过程中难免会出现杂波，导致测量结果不准确，因此单端法更适用。行波测距需要解决的问题是故障波头的识别和混合线路的波阻抗的变化。通过检测故障点的返回信号量来确定行波波头到达测量端的时间点。行波法又可具体分为以下几种类型。
①直流闪络法。该方法的基本原理是在故障电缆上施加一个直流冲击电压，使没有完全短路的故障点击穿放电，即发生闪络。在发生闪络的时间内，故障点呈短路状态或者接地状态。一般直流闪络法对测寻闪络性故障最为有效。
②冲击闪络法。该方法的基本原理是向故障点处发射一个高压脉冲使故障点发生闪络，和直流闪络法一样形成短路状态。直流闪络法只能检测闪络性高阻故障，而冲击闪络法能检测泄漏性高阻故障。冲击闪络法是适用范围最广的一种故障测试方法，它对高阻故障和闪络性故障都很有效。
③低压脉冲法。低压脉冲法一般用于监测绝缘电阻在40Ω以下的低阻故障，其基本原理是向故障电缆发射一个低压脉冲信号，当脉冲遇到故障点、电缆接头或电缆终端时，由于该点的阻抗发生改变，因而会产生一个反方向的反射脉冲，利用仪器记录下发射脉冲和反射脉冲之间的时间差，通过计算，从而找到故障点。
④参数辨识法。首先建立其等效数学模型，构建系统结构，然后通过检测线路首端的电流值和电压值来求取模型内各个元件的参数，从而实现故障测距。在时域和频域的参数识别中，最常用的工具是最小二乘法。由于输电线路参数较均匀、结构较简单，在求解过程中只需少量参数，所以参数辨识法用在故障测距中比较准确。对于中性点不接地系统，可以利用零序电流信号和零序电压信号来求出对地电容，然后与之前建立的模型进行对比选出故障线路，再通过辨识故障线路电感参数来计算出故障距离。由于小电流接地系统的零序电流和零序电压较小，所以只能保证一定程度的判断。如果用于电缆的故障测距，则其计算精度会大大降低，实际应用效果有待进一步验证。
电力电缆故障定位技术不仅包含阻抗法、行波法等粗测技术，在实际应用中还需要声磁同步法、音频感应法、跨步电压法等精确定位方法的配合，才能最终找到故障点。由于每种故障类型对应的方法是不一样的，这就使得对电力电缆故障诊断定位技术的研究必须有针对性并逐个进行，这样才能达到提高测量精度的目的。
电力电缆测长技术的研究离不开对电力电缆故障诊断技术的全面掌握，它是在电力电缆故障诊断定位技术上衍生出来的，是电力电缆故障的一个特例，即当电力电缆发生开路故障或者断线故障时，电力电缆故障点距起点的距离就是电力电缆的长度。
电力电缆测长技术是电力电缆故障诊断的一个关键环节。由于电力电缆大都成盘封装，在使用过程中也大多埋于地下，该物理特性决定了它的长度测量不可能用传统的直接测量方法来进行，这就使得电力电缆测长技术在电力电缆生产、加工、销售、安装、检测等各个环节的作用尤为突出。
对于电力电缆测长技术的研究，我们主要在低压时域脉冲反射原理的基础上进行。一般的研究方法主要分两个方面：一方面是从理论上对影响长度测量精度的因素进行分析，找到提高长度测量精度的方法；另一方面是通过实验仿真的手段，找到制约电缆长度测量精度的因素，结合理论进行分析，搭建高精度的测量平台，并对平台的各个关键环节进行调节，最终找到最合适的平台结构。1.1.4 自动测距原理
在测试电缆长度时，采用的是 LTDR（低压时域脉冲反射）法。LTDR 法测寻电缆故障是利用电磁波在电缆中存在传播和反射现象的原理来工作的。该原理应用最广泛也最成熟的例子就是在雷达的工作过程中。雷达的工作原理可以简单描述为：雷达向空中发射一束电磁波，电磁波如果遇到飞机，飞机就会把电磁波反射回来。雷达接收到反射的信号，把发射时间与接收时间进行比较，得出从雷达到飞机电磁波行进的时间。已知电磁波在空气中传播的速度约为30万km/s，用时间乘以速度即可求出从雷达到飞机的距离。
实际上，电磁波在电缆中也是可以传播的，其现象与雷达测寻飞机非常相似。当电缆有屏蔽层时，电磁波只能在导体和屏蔽层之间传播，并且其传播速度均匀而稳定。电磁波在电缆中的传播速度由导体与屏蔽层之间的介质，主要是电缆主绝缘的介电常数ε、磁导率μ及电缆的结构尺寸决定的。电磁波在电缆中的传播速度很快，约为16km/s。只有在高频情况下，在微秒级的时间范围内，我们才可以观察到这种速度。
电磁波在电缆中传播，主要受波阻抗和反射系数这两个概念的影响较大。首先考虑的是电缆的波阻抗。电磁波在电缆中的传播可以通过用示波器检测电缆的电压或电流来观察。在高频情况下，电缆中的电压和电流成一个简单的比例关系，其比值称为波阻抗，用Z表示。波阻抗的概念之所以重要，是因为电磁波在电缆中的传播遵循这样一种规律：如果电缆中某一点的波阻抗发生了变化，则在变化点，电磁波就会发生反射，就像雷达发射的电磁波遇到飞机时会发生反射一样。其次考虑的是反射系数。电磁波在电缆中某点的反射特性可以用反射系数来表示。对于电压波ru可由式（1.1）计算。所谓电压波，即用电压值来表示电磁波状态的波形。对应的还有电流波，也就是用电流值来表示电磁波状态的波形。
式中，Z1和Z2分别表示电缆反射点前后的波阻抗。ru的取值范围为-1～+1。当ru=-1时，表示反射的幅值与入射的幅值相等，但极性相反，称为负全反射；当 ru=+1时，表示反射的幅值和极性都与入射的相同，称为正全反射；当-1＜ru＜+1时，反射点不能把入射的电磁波全部发射，电磁波有一部分越过了反射点，此部分称为折射。
从式（1.1）可以得出三个重要的特例：当Z1=Z2时，ru=0，即没有反射；当Z2=∞时，ru= +1，即产生正全反射；当Z2=0时，ru=-1，即产生负全反射。这三个特例可以解释为：一根电缆，波阻抗为Z1，在电缆的一端注入一个电压脉冲，当电压脉冲沿电缆传播时，在沿电缆长度的每一点上，前后的波阻抗都相等，因此不会发生反射。当脉冲到达电缆末端时，如果此时电缆末端开路，即Z2=∞，由于ru=+1，则将有一个正极性的脉冲向始端反射，就如雷达发射的电磁波被飞机反射一样；如果此时电缆末端短路，即Z2=0，由于ru=-1，则将有一个负脉冲反射回始端。
低压脉冲法是利用电压脉冲在电缆故障点存在反射的原理测寻故障点的。检测仪由脉冲发生器和显示器组成。在测量时，脉冲发生器首先向电缆发射一个电压脉冲，此时显示器显示出发射波波形。如果电缆发生了断线故障，则从上面的介绍可知，故障点相当于开路状态， Z2=∞，脉冲到达故障点，会产生一个正的全反射。经过一定时间，反射波到达检测仪，显示器显示出反射波波形。低压脉冲法测试接线图如图1.2所示。图1.2 低压脉冲法测试接线图
测量两个波形的时间差，按照式（1.2），即可计算出故障距离。
式中，L——电缆故障距离；
V——脉冲在电缆中的传播速度；
ΔT——发射脉冲与故障点反射脉冲之间的时间差。1.2 变压器故障类型及诊断方法1.2.1 变压器故障类型
常见变压器结构如图1.3所示。图1.3 变压器结构图
变压器故障分类方法有很多，从故障性质上一般分为热故障和电故障；从回路划分可以分为电路故障、磁路故障和油路故障；若从变压器的主体结构划分，则主要有绕组故障、铁芯故障、油质故障和附件故障。因此，很难以某一种规范来划分变压器故障类型。下面以比较通用的分类方式来简单介绍一下变压器的常见故障。
1.短路故障
变压器短路故障主要是指变压器内部绕组匝间短路，绕组或引线层间、相间短路及对地短路，变压器出口短路等故障。变压器出口短路属于外部短路故障，但它是导致很多变压器内部故障的直接原因。当变压器突发短路时，其高低压绕组会通过超过额定值数十倍的短路电流，强大的短路电流产生瞬时的高温过热，导致绝缘受损。同时，短路电流感应出的电动力会使变压器内部绕组变形，匝间绝缘机械磨损，绕组引线位移，严重的可以导致绕组损毁。据统计，近年来，一些地区110kV以上等级的变压器遭受短路电流冲击直接导致损坏的事故约占全部事故的50％以上。此外，涉及绕组和引线的短路故障在故障初期一般伴有局部过热甚至小能量放电现象。
2.放电故障
变压器放电故障根据放电能量大小可分为局部放电、火花放电和电弧放电三种类型。局部放电和火花放电属于低能放电，产生的原因主要是变压器绝缘油中存在气泡、水分等杂质，以及由于制造工艺问题造成器身某些部位存在尖角、毛刺，导致局部场强过高。此外，导电回路接触不良或金属件存在悬浮电位也会引发低能放电。电弧放电是高能放电，以绕组匝间或层间绝缘击穿最为常见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。三种放电形式既有区别又相互联系，低能放电是故障的早期形式，但如果不加以重视，则会逐步发展成严重的击穿性故障。
3.绝缘故障
绝缘系统是变压器正常运行的基本条件，是影响变压器运行寿命的主要因素。实践证明，大多数变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏造成的，因各种类型绝缘故障导致的事故约占全部变压器事故的85％。油绝缘和固体纸绝缘是目前变压器主要的绝缘材料。在正常情况下，固体纸绝缘存在不可逆转的老化特性，其聚合度和抗张程度逐渐降低，并生成水、CO、CO2及糠醛（呋喃甲醛）。绝缘纸本身含有少量的水分，当绝缘纸周围存在过热故障时，会使水分从纤维材料中析出，加速纤维材料脆化。纸绝缘脆化将导致绝缘本身的机械强度降低，在绕组电磁振动或电动应力冲击下极易损伤，从而演变成电气事故。油绝缘劣化的主要原因是变压器内的空气。空气中的氧会导致绝缘材料氧化并产生水。由于技术条件制约，即使全封闭的变压器内部仍会存在容积为0.25％的氧。水分对绝缘介质的电气性能和理化性能都有极大的危害，它会作为催化剂加速油的氧化，生成过氧化物、酸类、醇类、酮类和油泥等杂质，降低油的绝缘能力和散热能力。
4.铁芯故障
在变压器正常运行时，铁芯必须保持一点可靠接地，否则会造成铁芯对地悬浮性放电。接地后，消除了铁芯形成悬浮电位的可能。但当铁芯出现两点以上接地时，铁芯间的不均匀电位会在接地点之间形成环流，导致局部过热故障，严重的可能破坏铁芯片间绝缘，造成短路故障，使铁损变大，严重影响变压器性能和正常工作。
5.分接开关故障
变压器的调压分接开关分为无载分接开关和有载分接开关。无载分接开关的故障形式主要表现在触头接触不良、触头锈蚀使电阻增大发热、开关绝缘支架的金属紧固件接地断裂造成悬浮放电等。有载分接开关的故障大多反映在：开关密封不严，水分侵入导致绝缘性能下降而引发事故；分接开关的过渡电抗或过渡电阻在切换过程中被击穿、熔断，使触头间发生电弧放电；开关滚轮卡死使分接开关停在过渡位置造成相间短路；分接开关油箱密封不良造成向变压器本体油渗漏等方面。
6.渗漏故障
变压器渗漏一般包括空气渗漏和油渗漏两种类型。空气渗漏的危害在绝缘故障中已经有所了解，主要是空气中的氧对变压器绝缘有巨大的危害。油渗漏可分为内渗漏和外渗漏。内渗漏主要指套管和有载分接开关中的油向变压器本体渗漏。充油套管油渗漏会造成套管缺油，从而影响设备正常运行；有载分接开关油渗漏往往会造成变压器本体油色谱异常，从而引起误诊断。外渗漏主要指焊缝渗漏和密封件渗漏，这类故障也经常发生。
7.油流故障
油流故障主要是指油流带电和油流受阻导致过热故障。油质是影响油流的主要因素，一般油的介损值大时具有更强的带电趋势。油流带电会导致C2H2气体增长、色谱分析异常、局部放电量增大等故障特征。此外，油中杂质长期大量沉积是导致油流受阻的主要原因。1.2.2 变压器故障诊断方法
1.油中气体分析
目前，绝大多数110kV以上的电力变压器仍然以油和油浸绝缘纸作为其主体绝缘材料。在正常老化过程及故障初期，油纸绝缘劣化所形成的低分子烃、氢气及碳的氧化物等气态化合物绝大部分将溶解于油中。变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式及故障的严重程度，所以根据色谱分析结果可以进一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。
Halstead在1973年发表的报告中对油中分解的碳氢气态化合物的产生过程进行了热动力学理论分析，认为对应于不同温度下的平衡压力，一种碳氢气体相对于另一种碳氢气体的比例取决于热点的温度。因此建立了如下假设：特定碳氢气体的析出速率随温度而变化，每种气体在不同的温度下达到其最大析出速率，在特定温度下各类气体的相对析出速率是固定的。根据这一假设，随着温度升高，析出速率达到最大值的次序依次为H2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2。Halstead假说是应用油中溶解气体比值法诊断设备故障类型并估计热点温度的理论基础。根据这一假设，随着温度的变化，故障点产生的各气体组分间的相对比例是不同的。Rogers由此选择5种特征气体的4个相对比例（CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6 和C2H2/C2H4）来进行故障诊断。由于C2H6/CH4只能反映油纸分解的极有限的温度范围，所以在后来的IEC标准中将此比值删去，修改后的三比值法被普遍认为是最为简明的解释。此后，IEC三比值法一直是利用DGA结果对充油电力设备进行故障诊断的最基本的方法。但IEC 599所提供的编码是不完全的，实际应用中有相当一部分DGA结果落在所提出的编码之外，以至于对某些情况无法进行诊断。日本电气协同研究会提出的电协研法和我国湖北电力试验研究院提出的“改良三比值法”（也称“改良电协研法”）都对IEC编码作了进一步的补充。
实践表明，油中溶解气体分析是目前检测变压器内部潜伏性故障极为有效的方法之一。DL/T 722—2000推荐改良三比值法为变压器设备内部故障诊断的主要方法。表1.2和表1.3分别是改良三比值法的编码规则和诊断的故障类型。同时，DL/T 722—2000还提出了应用改良三比值法的三项原则，即：（1）只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能存在故障时，气体比值才是有效的，并应予以计算。对气体含量正常且无增长趋势的设备，气体比值没有意义。（2）假如气体比值与以前不同，可能有新的故障重叠在老故障或正常老化上。为了得到仅仅相应于新故障的气体比值，要从最后一次的分析结果中减去上一次的分析数据，并重新计算比值（尤其是在CO和CO2含量较大的情况下）。在进行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下，在相同的位置取样。（3）由于溶解气体本身存在的试验误差，导致气体比值也存在不确定性。当气体浓度大于10μL/L时，两次的测试误差不应大于平均值的10％，而在计算气体比值时，误差提高到20％。当气体浓度低于10μL/L时，误差会更大，使比值的精确度迅速降低。因此，在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种可能降低精确度的因素。表1.4为油中溶解气体的正常极限值。表1.2 改良三比值法的编码规则表1.3 故障类型诊断表1.4 油中溶解气体的正常极限值（μL/L）
2.常规电气试验
DGA试验（油中溶解气体分析）可以灵敏地察觉变压器内部存在的故障，并确定故障的性质（电性、热性或两者兼有），但单凭DGA试验还无法实现对故障类型的确认和故障定位，而各种电气试验却可以在很大程度上弥补 DGA 试验的不足。以下是目前国内电业部门常做的几项电气试验。（1）绕组与铁芯绝缘电阻试验。绕组绝缘电阻试验通过测量绕组连同套管一起的绝缘电阻和吸收比或极化指数，对检查变压器整体的绝缘状况具有较高的灵敏度，能有效地检查出变压器的整体绝缘受潮或老化。变压器绝缘电阻取决于变压器纸和油的状况及其结构尺寸，并随时间增加而增大，因此单纯的绝缘电阻值不是判别绝缘状况的理想指标。实践表明，用吸收比和极化指数更能反映变压器绝缘受潮状况。
吸收比K为60s绝缘电阻值与15s绝缘电阻值之比，可写成
极化指数PI为10min绝缘电阻值与1min绝缘电阻值之比，可写成
吸收比在一定程度上反映了绝缘是否受潮。但随着变压器电压的提高和容量的增大，在吸收比测量中出现绝缘电阻高而吸收比过低的不合理现象，这是由于变压器干燥工艺提高、油纸绝缘材料改善、变压器大型化、吸收过程变长所导致的，在这种情况下，可以采用极化指数来判断变压器绝缘是否受潮。
铁芯的绝缘电阻和绝缘电流反映铁芯与地电位的金属件之间的绝缘情况，包括铁芯与油箱、穿心螺栓、上下夹件、绑扎绷带、钢压板、磁屏蔽等之间的绝缘，从而判断铁芯与这些部件之间的绝缘是否劣化或短路，反映出铁芯是否存在多点接地现象。（2）直流电阻试验。直流电阻试验可以检查变压器内部导电回路的故障，如绕组内部导线及引线的焊接是否良好、引线与各导电部件的连接是否紧固并接触良好、引线连接是否正确、分接开关触头接触是否良好等。（3）绕组介损试验。油纸绝缘是有损耗的，在交流电压作用下有极化损耗和电导损耗，通常用tgδ来描述。tgδ与绝缘材料的形状、尺寸无关，只取决于绝缘材料的绝缘性能，所以tgδ是判断绝缘状态是否良好的重要手段之一。
绕组介损试验测得的tgδ可看作变压器内部纸绝缘和油绝缘两部分介损串联的结果。
式中，tgδ——绕组介损。
tgpδ ——绝缘纸介损。
tgoδ——绝缘油介损。
Kp, Ko——纸和油的介损折算系数。
用传统方法测得绕组介损tgpδ ，并在同一温度下测试油的介损tgoδ，可求得纸绝缘的介损tgpδ。
检测介损的目的是为了求出纸绝缘的含水量，对绝缘受潮与否做出准确的判断。（4）变压比试验。变压器在空载运行状态下，高压绕组电压与低压绕组电压之比称为变压比。测量变压器变压比除了可以检查器件本身的功能是否达到铭牌值标称的标准，还可以检测出变压器分接开关与分接引线连接故障和绕组短路故障。（5）局部放电试验。局部放电产生的原因一般有两种：一是由于结构不合理，使绝缘内部电场分布不均匀，形成局部电场集中，使油隙、局部固体绝缘局部放电或沿表面放电；二是由于制造和工艺处理不当，使得金属部件带有尖角、毛刺，绝缘混入杂质或局部绝缘缺陷，以及带有悬浮电位的金属体，从而导致局部电场畸变而使场强升高而导致的局部放电。局部放电试验是检查变压器结构是否合理、工艺水平好坏及变压器内部是否存在局部放电现象的重要试验手段。（6）空载试验。测量空载电流和空载损耗，可以检查变压器内部是否存在磁路故障（铁芯片间短路、多点接地等）和电路故障（绕组匝间短路等）。当发生上述故障时，空载损耗和空载电流都会增大。
3.绝缘油特性试验
绝缘油特性试验是专门针对变压器绝缘油绝缘性能所做的检测。衡量变压器绝缘油绝缘特性的指标主要有以下3个：（1）电气强度。电气强度即油耐压试验的击穿电压，从耐压值的大小可以判断出油中含杂质的多少（水分、纤维及微生物）和变压器绝缘性能的优劣。（2）油介损（tgoδ）。变压器油的介损tgoδ是一项对油的品质极为敏感的指标。一般来说，变压器油受到污染、受潮、老化程度加深等因素影响而使油的品质下降，都会使油的tgoδ值增大。（3）水分。电力变压器常因绝缘受潮而导致绝缘水平下降。受潮的主要原因是变压器本体密封不良或呼吸作用而进水，其次是由于本体绝缘材料在热和磁场作用下分解老化而析出的水分。
4.其他试验
除上述常规的试验项目外，通常在条件允许且必要的情况下，还要进行其他几种试验，如工频耐压试验、感应耐压试验、低压励磁试验等。这些试验从不同角度反映出变压器内部主绝缘和纵绝缘的电气强度，能够检测出变压器绝缘存在的局部故障。需要注意的是，耐压试验是在对变压器施加高电压环境下进行的破坏性试验，因此，这种检测手段在故障诊断的过程中应慎重使用。
目前，主要的变压器故障智能诊断系统都是基于油中气体分析的。油中气体分析可以灵敏地检测出变压器内部存在的潜伏性故障，是目前检测变压器状态的主要方法。然而，单凭油中气体分析只能判断出变压器故障的性质（过热或放电）及故障的程度，对于诊断一台变压器的状态并制定相应的检修措施还略显不足，还应结合电气、化学试验结果等进行综合判断。这样不仅有助于明确判断故障类型，也有利于对故障部位做出估计。表1.5比较了油中气体分析与其他试验项目的关系。表1.5 油中气体分析与其他试验项目的关系续表
表1.6列出了电气、化学试验结果与油中气体分析结果具有一致性的实例。由表中可以看出，当因导电回路接触不良而引起过热故障时，直流电阻的不平衡可能超过规定的标准；当油中C2H2单值较高，DGA分析判断为可能存在低能放电时，配合局部放电量检测可以进一步明确判断；如果H2单值较高，那么设备内部可能存在气泡放电或进水受潮；当认为变压器可能存在匝间、层间短路故障时，可以进行变比试验。表1.6 与油中气体分析具有一致性效果的电气、化学试验实例
除了上述的传统变压器故障诊断方法，更多的研究集中在基于人工智能方法的故障诊断上。人工智能在电力设备故障诊断领域的应用无疑是人们的实践经验与现代计算机技术结合的产物，它的出现促进了传统故障检测手段的整合，并朝着智能化的综合处理方向发展。下面简要介绍几种主要的智能诊断方法。1.3 三相异步电动机故障类型及诊断方法1.3.1 鼠笼式三相异步电动机故障分类
鼠笼式三相异步电动机故障类型主要有转子断条、转子不平衡、转子不对中、转子弯曲、电动机气隙偏心、轴承故障、定子绕组断线、定子绕组匝间短路等。
1.转子断条
转子的导条断裂是电动机的主要故障之一，约占故障原因的10％左右。在一些频繁启动的电动机系统中，该故障所占比例更大，这是因为在电动机启动过程中，转子导条通过很大的电流，导条受到了极大的冲击。同时由于转子启动过程很短，导条端部受到很大的离心力，若电动机启停频繁，则导条会频繁受到冲击力的作用，并且导条各部分将受到不均匀的应力。导致转子断条故障的某些缺陷也可能在制造过程中就已存在。例如，在制造压铸转子时使用了不合格的铸件，以及采用铜焊或电焊的端环处焊接质量不良等都会留下故障隐患。这些缺陷会导致电阻过高，从而引起过热。而在高温条件下，鼠笼的强度降低，导条可能出现裂纹。此类故障常常发生在鼠笼的端环上，导致导条伸出转子槽外而得不到转子铁芯的支撑。导条与转子的相对位移、连续的高温运行或停车同样可以引起鼠笼端环和导条变形，并最终导致端环与导条断裂。必须指出，当电动机改变运行速度时，导条必然会向端环施加制动力或加速力。如果由于负荷变化或正常负荷的周期变化而引起电动机的速度发生波动，则会在导条和端环之间的连接处发生高频疲劳断裂故障。导条断裂的早期迹象是电动机速度、电源电流和杂散漏磁通等出现脉振现象。
2.转子不平衡
转子不平衡故障是电动机常出现的故障。在每次进行拆装、维修后，都需要进行平衡校验。通常情况下，由于电动机制造、安装及材料的影响，会使得转子从一开始运行就会出现异常振动，也就是初始的不平衡。同时，由于各种外界因素的影响，使得导条慢慢产生不平衡量，这种情况属于渐发性的转子不平衡。而且一旦转子上粘连异物或者卡塞时，会产生突发性的转子不平衡。
3.转子不对中
由于设备安装精度未达到要求、承受载荷后产生塑性变形、机座不同位置下降量的不同等，会使得电动机的转子和它们的轴线之间产生平行位移和角度位移，这种情况就属于转子不对中故障。转子不对中包括在轴承中偏斜，称为轴承不对中。轴承不对中本身不会产生振动，它主要影响到油膜性能和阻尼。在转子不平衡的情况下，由于轴承不对中对不平衡力的反作用，会出现工频振动。
当机组各转子之间用联轴器连接时，如果不处在同一条直线上，就称为轴系不对中。通常所讲的不对中多指轴系不对中。由于轴系不对中，将导致轴向、径向交变力，引起轴向振动和径向振动。由于不对中引起的振动会随不对中严重程度的增加而增大。
不对中是非常普遍的故障，即使采用自动调位轴承和可调节联轴器也难以使轴系及轴承绝对对中。当对中超差过大时，会对设备造成一系列有害的影响，如联轴器咬死、轴承碰磨、油膜失稳、轴挠曲变形增大等，严重时将造成灾难性事故。
当用刚性联轴器连接的转子对中不良时，由于强制连接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子轴线平行位移或轴线角度位移的状态不同，其变形和受力情况也不同。当用刚性联轴器连接的转子不对中时，转子往往处于既有轴线平行位移又有轴线角度位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力又有轴向交变力。弯曲变形的转子，由于转轴内阻现象及转轴表面与旋转体内表面之间的摩擦而产生的相对滑动，使转子产生自激旋转振动。而且当主动转子按一定转速旋转时，从动转子的转速会产生周期性变动，每转动1周变动2次，因而其振动频率为转子转动频率的2倍。
4.转子弯曲
有人习惯将转子弯曲与不平衡等同看待，实际上二者是有区别的。所谓质量不平衡是指各截面的质心连线与其几何中心连线存在偏差，而转子弯曲是指各横截面的几何中心连线与旋转轴线不重合，二者都会使转子产生偏心质量，从而使转子产生不平衡振动。当机组停用一段时间后重新开机时，有时会遇到振动过大甚至无法启动的情况。这多半是由于机组停用后产生了转子弯曲故障。
转子弯曲有永久性弯曲和临时性弯曲两种情况。永久性弯曲是指转子轴呈弓形弯曲后无法恢复。造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷（转轴结构不合理、材质性能不均匀）、长期停放方法不当、热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷等。临时性弯曲是指可恢复的弯曲。造成临时性弯曲的原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、升速过快、局部碰磨产生升温等致使转子热变形不均匀等。
5.电动机气隙偏心
通常在鼠笼式异步电动机制造过程中，设计者需要将转子和定子之间的气隙设计得很小才能很好地保障电动机的性能。当电动机频繁启停、超限运行时，极易造成电动机气隙偏心，当气隙偏心程度严重时，往往会造成定转子绕组和铁芯损坏，使电动机报废。根据造成气隙偏心故障的原因，气隙偏心可分两种不同情况进行机理分析：一种是静态偏心，是由于电动机制造误差、安装不当等造成的，其偏心的位置是不变的；另一种是动态偏心，是由于在电动机长期运行中出现轴承磨损、转轴弯曲等造成的。当电动机产生静态偏心时，明显特点是电动机的转轴与转子在同一条轴线上旋转，却与定子不在同一条轴线上旋转，空气间隙的最小长度相对于定子的空间位置是固定的，因此，在不同的位置上周围空间的空气间隙的大小基本上不发生改变。动态偏心的明显特点是电动机的转轴与定子在同一条轴线上旋转，却与转子不在同一条轴线上旋转，正好与静态偏心相反，转子中心与旋转中心不在同一条轴线上，具体的偏心位置也不是不变的，而是随着转速、转子的空间位置而变化的。
6.轴承故障
在电动机的各部件中，轴承的寿命相对较短，而且大约有40％的故障是由轴承引起的。滚动轴承通常由内环、外环、滚动体和保持架4部分组成，内环、外环分别安装在电动机转轴及机座上，当电动机运行时，内环随转轴旋转，外环固定不动，滚动体在内环和外环的滚道上旋转。滚动体的形状有球形、圆柱形、锥柱形等。应尽早发现轴承的异常，并在事故发生前更换。电动机的转子在工作中要承受各种复杂和交变的应力，冲击性负荷会激发扭转振荡，使轴系疲劳甚至断裂。轴承故障多发生在运行10年左右的电动机上。
由于电动机滚动轴承破坏、设计和制造中的误差，在运行中将会出现机械振动。这种故障的机械振动主要有如下种类和故障原因：（1）滚动轴承损坏。滚动轴承因负载过重、润滑不良、安装不正确、轴电流、有异物进入等原因，将会出现磨损、表面脱落、破裂、咬合等故障。轴承的损伤、加工和装配的误差，以及滚动轴承自身结构引起的振动作为一种信息，预示轴承运行状态是否正常。
当产生类似的故障时，将会产生周期性脉冲引起的强迫振动，如轴承各部分的特征频率，也包括高频和较高频轴承系统的固有振动。由于载荷较大引起轴承的内、外圈和滚动体变形过大，造成旋转轴中心随滚动体位置变化所引起的振动为传输振动。因安装不正确和滚动体大小不一致也会引起轴承的振动，这些原因造成的振动频率较低，通常小于1kHz。（2）加工和装配不良引起的振动。加工和装配不良引起的振动将会使轴承内圈装配后其中心线与轴心线不重合，这样电动机每旋转一周，轴承就受到一次交变的、轴向力的作用，使轴承产生振动。这种振动的特征是：①振动振幅以轴向为最大；②振动频率和旋转频率相同。（3）轴承非线性特性引起的振动。在转子不平衡旋转力和轴承内圈力的激励下，轴承上易产生为旋转频率整数倍或分数倍成分的振动，这种振动与轴承的油膜特性有关。这种振动的特性为：振动频率是旋转频率的整数倍（fr, 2fr, 3fr, …, mfr）或分数倍（fr, fr/2, fr/3, …, fr/m）；振动是轴向的；振动与转速密切相关。（4）轴心线不对中引起的振动。当电动机的轴心线不重合时，电动机在运行过程中就会受到来自联轴器的作用力，并产生振动。这种振动的特征就是振动中2倍旋转频率的成分增加。
7.定子绕组断线
电动机一相绕组开路就不能启动。当电动机正在运行时，若有一相绕组开路，则电动机可以继续运行，但电流增大，并发出较大的“嗡嗡”声。若负载较大，则可能在几分钟内把尚未开路的两相绕组烧坏。
定子绕组断线往往是在电动机启动时由于电流过大导致各绕组连接线的焊接头脱焊、电动机引线接头松脱，以及由于电动机绕组的端部在铁芯的外端，导线很容易被砸断而造成的；另外，由于绕组短路、接地故障而引起导线烧断，从而造成绕组断线。
8.定子绕组匝间短路
对于中小型电动机，绝缘良好的漆包线漆蜡可承受4000V的高压，而匝间工作电压甚低，因此绝缘未受损坏的电动机发生匝间短路的可能非常小。但由于电动机在生产和安装中，经过绕线、嵌线、排线和多次搬运，每道环节都可能使线圈导线的漆膜被划伤或擦伤，因而成品电动机易发生匝间短路。成品电动机在出厂前做的匝间短路试验，有的采用升高电压空载 3min的方法，有的是用匝间仪来测试的。对于匝间绝缘破坏严重的电动机，经短时升高电压测试后，很容易检查出来；而对匝间绝缘受伤轻微的电动机，则很难检查出来。这些受伤的电动机在用户使用后，当绝缘受损到一定程度时，就会产生匝间短路。造成匝间短路的原因主要有以下4种：①环境潮湿，使匝间绝缘电阻进一步下降；②电动机长期超负荷运转，绕组温度比常温升高70℃左右，匝间绝缘电阻随之降低；③由于机械和电磁方面的原因，使绕组（特别是端部）发生轻微振动，导体间相互摩擦，进一步破坏匝间绝缘；④偶然的过电压也易使匝间被击穿，在电压过大的情况下，匝间原来就受损的部位绝缘较差，最易发生匝间短路。
造成大中型异步电动机匝间短路的原因如下：①异步电动机在检修时定子绕组受损；②定子绕组本身有质量问题，匝间绝缘不好；③异步电动机长时间过载运行或频繁地重载启动，致使定子电流增大，绕组温升增高，使定子绕组绝缘迅速老化。
定子绕组匝间短路故障的主要特征包括：三相定子电流不对称；三相阻抗不对称。理论上可根据上述任意一个主要特征进行匝间短路故障诊断，但是由于电网中大量单相负载的影响，所以异步电动机电源电压不可能完全对称，在正常时三相定子电流也不可能完全对称，因此，根据三相定子电流的对称性诊断绕组匝间短路故障的可靠性较差。而异步电动机三相定子绕组阻抗在正常时基本是对称的，在发生匝间短路时三相阻抗的对称性将发生变化，因此，我们根据异步电动机三相阻抗的对称性对定子绕组匝间短路故障进行诊断，即对三相定子电压、电流进行检测，再计算出三相阻抗，根据三相阻抗对称与否判别匝间短路故障。此外，为了提高匝间短路故障诊断的可靠性，我们还在三相定子电压、电流检测电路的输入端加装电容、电感元件进行高频滤波，以消除电源电压波动及电网中干扰信号的影响。1.3.2 鼠笼式三相异步电动机故障诊断方法
1.转子断条的诊断方法
主要有定子电流谐波检测技术、感应电压检测技术、轴向磁通检测法。
诊断方法一：定子电流谐波检测技术
一旦发生转子断条故障，在定子电流中将出现（1-2s）f频率的附加电流分量（s为转差率，f为供电频率），因而该电流分量可以作为转子断条故障的特征。而定子电流信号易于采集，因此基于快速傅里叶变换的定子电流信号频谱分析方法被广泛应用于转子断条故障检测。异步电动机转子断条故障诊断工作主要集中于判断其严重程度，即断裂导条数目。
转子断条根数影响分析：一般断条故障特征频率的大小往往取决于断条数目，当转子出现断条时，相邻导条中的电流明显增大，远离该断条的导条电流则变化不大，而连续断条的数量在不断增加时，电动机不对称的故障特征量也在增加，且断条的数目与该特征频率的幅值大小成正向关系。可以根据该特征频率的大小进行断条数目的计算。但当连续断条数超过异步电动机每极的导条根数时，如果断条根数继续增加，则与之相邻的导条中的电流反而减小。
异步电动机转子断条故障严重程度，即断裂（连续）导条数目可以根据式（1.7）近似确定。
式中，Is为定子电流基波分量幅值；Ibrb为定子电流（1-2s）f分量幅值；P为极对数；Rb、R分别为断裂导条数与导条总数。异步电动机断裂（连续）导条数也可以根据式（1.8）近似确定，对于大型电动机满载运行情况，式（1.8）比较准确。
诊断方法二：感应电压检测技术
这种技术是指在内部定子齿、定子轭或外部机座上放置探测线圈，当电动机完好时，线圈中的感应电压频率为基频频率；而当转子导条断裂时，在气隙磁场中出现一个反向旋转的磁场，使得气隙磁场发生畸变，并以转差频率脉动。因而与导条断裂相关的磁场以式
所示的特征频率在线圈中调制出感应电压，该电压是时间或者频率的函数。该故障频率会随着负载和供电电压的增加而更加明显。所以使电动机在不同的负载和不同的供电频率下运行，同时用快速的数据采集系统采集线圈内的感应电压数据，并进行高分辨率频谱分析，由边频带分量来确定转子导条是否断裂。
诊断方法三：轴向磁通检测法
由断裂的导条引起的转子铁芯内电流感应出轴向磁通，轴向磁通谐波幅值的增加暗示着转子导条的断裂，这种影响在全载时相当明显。该轴向磁通也会产生轴向振动，振动频率是电动机转速的4倍，即4Sf，而且振动的幅值大大依赖于电动机的负载。因而在不同负载下，测量轴向磁通中的4倍转速频率成分的幅值可以诊断转子状态。如果幅值随着负载的增加而大大增加，则转子可能有断条；如果幅值保持不变，则转子状态良好。
2.转子不平衡
由于转子不平衡会造成电动机振动，所以通过对电动机振动信号的分析处理可以进行故障诊断。转子不平衡的诊断依据如表1.7和表1.8所示。对于原始不平衡、渐变不平衡和突发不平衡这三种形式，其共同点较多，但可以从以下两个方面对其进行甄别。
1）振动趋势不同
原始不平衡：在运行初期机组的振动值就处于较高的水平。
渐变不平衡：在运行初期机组的振动值较低，随着时间的推移，振动值逐步增加。
突发不平衡：振动值突然增加，然后稳定在一个较高的水平。
2）矢量区域变化不同
原始不平衡：矢量区域稳定于某一允许的范围。
渐变不平衡：矢量区域逐渐变化。
突发不平衡：矢量区域在某一时刻发生突变，然后稳定。表1.7 转子不平衡的振动特征表1.8 转子不平衡敏感参数
3.转子不对中
转子不对中故障会致使电动机产生异常振动，一旦发生这种故障，就会产生明显的1倍转频的轴向振动，有时可能会伴随着2倍转频的分量。转子不对中故障一般是通过对敏感参数的测量及分析来进行诊断的。应用振动测试手段判断电动机转子不对中故障是一种有效且简捷的故障诊断方式。转子不对中的故障原因分类、故障原因及治理措施如表1.9所示，故障的振动特征如表1.10所示。表1.9 故障原因与治理措施表1.10 转子不对中故障的振动特征
4.转子弯曲故障
转子弯曲故障诊断方法与转子不对中和转子不平衡相同，都是采用电磁振动信号分析方法进行诊断的。转子的弓形弯曲主要是指轴已呈现弓状变形，产生这种现象的原因主要有轴结构设计不合理、生产精度未达到要求、所选材料不合理等，也有可能是因为电动机在仍处于发热停止运行状态时未及时盘车、使用长时间后轴的自然变形。
当转轴承受较大的载荷、使用前未得到足够的暖机、启动时转速增加太快、承受的热应力不对称时，转轴就会产生临时性的弯曲。这两种弯曲的振动特征是相同的，如表1.11和表1.12所示。表1.11 转子弓形弯曲的振动特征表1.12 临时性弯曲的振动特征
5.电动机气隙偏心故障
当电动机定子中心与转子轴心不重合时，定、转子之间的气隙将出现偏心现象，这种气隙偏心往往固定在某一位置，不随转子旋转而改变。这种偏心往往是因加工不精确或装配不注意造成的。在一般情况下，气隙偏心误差不超过气隙平均值的10％是允许的。
方法一：基于电动机电流信号分析的偏心检测
基于传统磁动势和磁导波的方法得到，当电动机存在气隙偏心时，在定子绕组中会形成一些特定频率的电流分量。与偏心有关的频率分量可表示为
式中，
fh——电源基波频率；
R——转子槽数；
s——转差率；
p——极对数；
k——任意整数；
v——电源谐波阶数（v=1, 2, 3, …）；
nd——偏心阶数，静态偏心时nd=0，动态偏心时nd=1, 2, 3, …。
方法二：不平衡磁拉力与电磁振动分析
不平衡磁拉力的产生有很多原因，从本质上来说，主要是因为电动机中磁路或电路的不对称。电动机定、转子的不同心是导致不平衡磁拉力的常见因素。另外，材料磁化不均匀和绕组不当也会产生不平衡磁拉力。它包括与时间无关的部分（方向指向气隙最小处）和与时间有关的部分（以2倍电频率波动）。
气隙静态偏心产生的电磁振动特征如下：（1）电磁振动频率是电源频率f0的2倍。（2）振动随偏心值的增大而增加，与电动机负荷的关系也是如此。（3）气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动较难区别。
电动机气隙动态偏心是由转轴挠曲或转子铁芯不圆造成的，偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此，偏心位置随转子的旋转而同步移动。
在电动机运行时，旋转磁场的同步转速频率是 f0/p，转子旋转频率为（1-s）f0/p ，对于偏心点来说，旋转磁场与转子转速之间的频率差值为
气隙动态偏心产生的电磁振动特征如下：（1）转子旋转频率和旋转磁场同步转速频率的电磁振动都有可能出现。（2）电磁振动以1/2sf0为周期在脉动，因此，在电动机负载增加、s增大时，其脉动节拍加快。
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