2.1.2 设备故障机理
1. 设备故障模式
设备故障模式是以不同表现形态来描述故障现象的一种表征。电力设备常见的故障形态，如异常振动、疲劳、腐蚀、蠕变、磨损、脆性及塑性断裂、绝缘劣化等。设备故障模式的概率分布典型调查见表2-1。
表2-1 设备故障模式分布
从表2-1中看出异常振动故障模式在转动机械中所占比例达到30%。静止设备腐蚀与裂纹比例最大，两者合计近50%。在电力设备中，绝缘劣化所占比例达到62%。
针对概率最大的故障模式设置监测装置加以诊断，可有效地提高故障诊断的可靠性。
2. 设备故障机理
故障机理是指诱发零部件、设备系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过程，也可以说是形成故障源的原因，故障机理还可以表述为设备的某种故障在达到表面化之前，其内部的演变过程及其因果原理。弄清发生故障的机理和原因，对判断故障，防止故障的再发生有重要的意义。
故障的发生受空间、时间、设备（故障件）的内部和外界多方面因素的影响，有的是某一种因素起主导作用，有的是几种因素共同作用的结果。所以，研究故障发生的机理时，首先需要考察各种直接和间接影响故障产生的因素及其所起的作用。
（1）对象
指发生故障的对象本身，其内部状态与结构对故障起抑制与诱发作用，即内因的作用，如设备的功能、特性、强度、内部应力、内部缺陷、设计方法、安全系数、使用条件等。
（2）原因
能引起设备与系统发生故障的破坏因素，如动作应力（体重、电流、电压、辐射能等），环境应力（温度、湿度、放射线、日照等），人为的失误（设计、制造、装配、使用、操作、维修等的失误行为），以及时间的因素等故障诱因。
（3）结果
指输出的故障种类、异常状态、故障模式、故障状态等。
一般来说，故障模式反映着故障机理的差别。图2-2示出了故障机理与故障模式的因果关系图。从图2-2可见，即使故障模式相同，其故障机理也不一定相同。同一故障机理，可能出现不同的故障模式。也就是说，纵然故障模式不同，也可能是同一机理派生的。因此，即使全面掌握了故障的现象，也并不等于完全具备搞清故障发生原因和机理的条件。搞清故障现象是分析故障发生机理和原因的必要前提。
图2-2 故障机理与故障模式的因果关系
3. 异常振动
引起电动机振动异常的原因很多，产生振动的部位与振动特性各不相同。总体看有以下几方面：
1）三相交流电动机定子异常产生的电磁振动。三相交流电动机在正常运转时，机座上受到一个频率为电网2倍频率的旋转力波的作用，可能产生振动，振动大小与旋转力波的大小和机座的刚度直接有关。
2）气隙静态偏心引起的电磁力。电机定子中心与转子轴心不重合时，定、转子之间气隙将会出现偏心现象，偏心固定在一个位置上。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，过大的偏心值会产生很大的单边磁拉力。
3）气隙动态偏心引起电磁振动。偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此偏心的位置随转子而转动。
4）转子绕组故障引起的电磁振动。
5）转子不平衡产生的机械振动。
转子不平衡的原因：①电机转子质量分布不均匀，产生重心位移，与转子中心不同心。②转子零部件脱落和移位，绝缘收缩造成绕组移位、松动。③联轴器不平衡，冷却风扇不平衡，带轮不平衡。④冷却风扇与转子表面不均匀积垢。
6）滑动轴承由于油膜涡动产生振动。
7）滑动轴承由于油膜振荡产生振动。
油膜振荡产生的原因：油膜振荡产生的原因和油膜涡动产生的原因相同，也是油膜动压不稳造成的。当转子回转频率增加时，油膜涡动频率随之增加，两者关系近似保持不变的比值，在0.42～0.48之间。当转轴的回转频率达到其一阶临界转速的2倍时，随着转子回转频率的增加，涡动频率将不变，等于转子的一阶临界转频，而与转子回转频率无关，并出现强烈的振动，这种现象称油膜振荡。产生强烈振动的原因是油膜涡动与系统共振，两者相互激励，相互促进的结果。对油膜振荡来说，除了油膜性质改变以外，转子不平衡量的增加和地脚螺钉的松动都会诱导油膜振荡的发生。
8）加工和装配不良产生振动。
9）安装时，轴线不对中引起振动。
机组安装后，电动机和负载机械的轴心线应该一致相重合。当轴心线不重合时，电动机在运行时就会受到来自联轴器的作用力而产生振动。
不对中分为三种情况。①轴心线平行不对中（偏心不对中），就是电动机与负载机械轴心线虽然平行，但不重合，存在一个偏心距，随电动机转动，其轴伸上就受到一个来自联轴器的一个径向旋转力的作用，使电动机产生径向振动。振幅与偏心距大小和转速高低有关，频率是转频的两倍；②轴心线相交不对中，当电动机与负载机械轴心相交时，联轴器的结合面往往出现“张口”现象。电动机转动时，就会受到联轴器的一个交变的轴向力作用，产生轴向振动，频率与转频相同；③轴心线既相交又偏心的不对中。
4. 疲劳裂纹形成机理
疲劳故障模式分为高频疲劳、低频疲劳、高温疲劳、热疲劳和热机械疲劳、腐蚀疲劳等。
高频疲劳是工程中最常见的疲劳故障，它是低应力（循环应力σ<<σS屈服极限）、长寿命（失效循环数N＞105次），具有突发性、局部性及对缺陷的敏感性等特点，如汽轮机叶片等损伤。
低频疲劳亦称应变疲劳或塑性疲劳，其循环应力σ≥σS屈服极限，失效循环数N＜105次，如锅炉汽包及压力容器等损伤。
高温疲劳是部件循环应力处于高温条件下产生的疲劳，如汽轮机转子等各类损伤、内部产生较大的热应力的情况。由于热应力的交变作用而引起的失效，在交变热应力作用下产生叠加有交变的机械应力，称为热机械疲劳。
腐蚀疲劳是其部件在腐蚀介质和循环应力共同作用下导致的失效，如汽轮机叶片、低压转子主轴。
5. 腐蚀机理
腐蚀按机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
6. 蠕变机理
金属在高于一定温度下受到恒应力作用，即使应力小于屈服强度也会随着时间的延长而缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。
7. 磨损
磨损是在一个物体与另一个固相的、液相的或气相的对偶件发生接触和相对运动中，由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过程。磨损是设备故障最常见的模式，据统计全世界总能耗的1/3～1/2消耗于摩擦，一般机器中75%～85%的零部件是因磨损而报废的。
磨损按其表面物质损耗的不同机理分为粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损和表面疲劳磨损。目前，人们公认的最重要的四种基本磨损类型（机理）是粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和化学磨损（磨蚀磨损）。不同磨损类型有不同的磨损表面的外观表现，见表2-2。
8. 塑性及脆性断裂
（1）塑性断裂
当部件所承受的应力大于材料的屈服强度时，将发生塑性变形。如果应力进一步增加就可能发生断裂，称为塑性断裂，它一般发生于静力过载或大能量冲击的恶劣工况下。
表2-2 不同磨损表面的外观表现
（2）脆性断裂
部件的脆性断裂是指部件材料的力学性能变化不大，而韧性急剧下降，断裂时几乎没有塑性变形，断裂过程极快而吸收能量极低的突发性破坏现象。
9. 绝缘老化
绝缘老化是指因电场、温度、机械力、湿度、周围环境等因素的长期作用，电工设备绝缘在运行过程中质量逐渐下降、结构逐渐损坏的现象。绝缘老化的速度与绝缘结构、材料、制造工艺、运行环境、所受电压、负载情况等有密切关系。绝缘老化最终导致绝缘失效，电力设备不能继续运行。详细内容参见3.2节。