電特性檢測(cè)在艦艇交流電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

劉 磊，董自虎

（1.中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)裝備部，海南三亞 572016； 2.海軍駐438廠軍事代表室，武漢 430060；3.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

電機(jī)作為當(dāng)前最為常見的將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、負(fù)載可選、轉(zhuǎn)速可調(diào)、價(jià)格低廉、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代艦艇上得到廣泛應(yīng)用?？偟膩碚f，船用電機(jī)也分為交流和直流兩種類型電機(jī)。其中，交流電機(jī)主要用于為系統(tǒng)提供動(dòng)力、壓力和扭矩，如水泵、油泵、風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)等設(shè)備上，直流電機(jī)主要用在推進(jìn)系統(tǒng)、交直流變流系統(tǒng)、船用拖帶系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中。正是電機(jī)在艦艇上數(shù)量眾多、作用關(guān)鍵，它的性能水平直接影響著整首艦艇的戰(zhàn)技術(shù)水平，它的技術(shù)狀態(tài)對(duì)艦艇至關(guān)重要。

目前，在艦船研制、生產(chǎn)、服役的生命周期里，確保船用電機(jī)處于良好技術(shù)狀態(tài)必須做好三個(gè)方面工作：一是把好電機(jī)源頭質(zhì)量關(guān)，引進(jìn)噪音小、發(fā)熱低、壽命長(zhǎng)的新型電機(jī)，通過具有軍工研發(fā)生產(chǎn)資質(zhì)的渠道采購(gòu)優(yōu)質(zhì)電機(jī)，堅(jiān)決杜絕質(zhì)量低下有缺陷的電機(jī)上艦使用；其次是在服役期間，操作人員應(yīng)具有良好的使用習(xí)慣，應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程使用和保養(yǎng)電機(jī)，并在壓力、電流、溫度以及互為備用電機(jī)的切換時(shí)機(jī)等實(shí)際操作環(huán)境尋求最優(yōu)參數(shù)組合，以避免電機(jī)故障，使其壽命最長(zhǎng)化；第三是引入先進(jìn)的主動(dòng)維修思想，加強(qiáng)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，提前找出故障隱患加以排除。

通過實(shí)踐證明，加強(qiáng)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷能夠有效預(yù)防電機(jī)故障發(fā)生，這對(duì)確保電機(jī)處于良好技術(shù)狀態(tài)尤為重要。

1 電機(jī)的故障

電機(jī)由于制造工藝、使用條件及其他突發(fā)情況造成電機(jī)運(yùn)行故障，輕則發(fā)熱、失速，重則電機(jī)燒毀引起重大事故。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）在《IEEE Std C493-2007（Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems）》《IEEE Std C37.96-2012（IEEE Guide for AC Motor Protection）》中通過對(duì)工業(yè)和商業(yè)設(shè)施中的1141臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)的380起故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)出電機(jī)出現(xiàn)故障部位及概率，如表1所示[1,2]。

表1 電機(jī)出現(xiàn)故障部位及概率

美國(guó)電力研究學(xué)會(huì)(EPRI)關(guān)于電機(jī)的研究報(bào)告稱：電機(jī)故障約有53%源于機(jī)械原因，如軸承故障、不平衡、松動(dòng)等；約47%源于電氣原因，其中，如匝間、相間短路等出現(xiàn)在定子繞組的故障約占37%，如鑄件缺陷導(dǎo)致的不平衡氣隙、斷條等出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的故障約占10%[3]，如圖1所示。

圖1 EPRI報(bào)告中電機(jī)各類故障比例

正如表1和圖1所示，電機(jī)的故障多種多樣，發(fā)生時(shí)機(jī)和故障機(jī)理也不相同，艦艇上的電機(jī)由于長(zhǎng)期在高濕、高鹽、高溫和平臺(tái)起伏的海洋環(huán)境工作，更容易產(chǎn)生故障。而且電機(jī)故障往往在一瞬間發(fā)生，事故的發(fā)生以及之后的停機(jī)維修為執(zhí)行作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)造成嚴(yán)重影響，也給艦艇的安全帶來巨大的安全隱患。因此，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患顯得尤為重要。

2 電機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)技術(shù)

上個(gè)世紀(jì)90年代開始，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出了“以可靠性為中心的維修模式（RCM）”，主動(dòng)維修和預(yù)先維修得以應(yīng)用和發(fā)展，而作為技術(shù)支持的檢測(cè)技術(shù)成為了維修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并隨著科技的發(fā)展，逐步形成了一門多領(lǐng)域、高科技的應(yīng)用學(xué)科。在長(zhǎng)期的發(fā)展下，電機(jī)的檢測(cè)根據(jù)方法不同形成了動(dòng)態(tài)機(jī)械檢測(cè)、動(dòng)態(tài)電氣檢測(cè)、靜態(tài)電氣檢測(cè)三大技術(shù)：

2.1 動(dòng)態(tài)機(jī)械檢測(cè)（DMT）

動(dòng)態(tài)機(jī)械檢測(cè)（Dynamic mechanical testing，DMT）是基于電機(jī)運(yùn)行期間，采集電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、噪聲、溫度等物理參數(shù)，通過分析判斷電機(jī)當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)。常見的檢測(cè)手段有振動(dòng)測(cè)量（包括頻譜分析、波形分析等）、紅外檢測(cè)、超聲診斷、軸承脈沖檢測(cè)等。

2.2 動(dòng)態(tài)電氣檢測(cè)（DET）

動(dòng)態(tài)電氣檢測(cè)（Dynamic electrical testing，DET）同樣是基于電機(jī)運(yùn)行期間，對(duì)電機(jī)的電壓、電流、功率、效率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過分析判斷電機(jī)當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)。常見的檢測(cè)手段有電壓不平衡檢測(cè)、電源質(zhì)量檢測(cè)、動(dòng)態(tài)效率檢測(cè)以及動(dòng)態(tài)電機(jī)電流分析等。

2.3 靜態(tài)電氣檢測(cè)（SET）

靜態(tài)機(jī)械檢測(cè)（static mechanical testing，SET）是在電機(jī)停機(jī)期間或者安裝前，對(duì)電機(jī)的絕緣、絕緣電阻、直流電阻等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試從而判斷電機(jī)是否處于正常的技術(shù)狀態(tài)。常見的檢測(cè)方法有歐姆表測(cè)量、絕緣電阻檢測(cè)、高壓絕緣測(cè)試、LCR測(cè)試、浪涌測(cè)試、靜態(tài)電機(jī)電路分析等。

3 交流電機(jī)的電特性檢測(cè)

交流電機(jī)電特性的概念沒有官方定義，它是源于海軍監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的習(xí)慣用法。我們將三相交流電機(jī)未通電時(shí)，每?jī)上嘀g測(cè)得的電阻（R）、電感（L）、阻抗（Z）、相角（Fi）、倍頻（I/F）以及絕緣等參數(shù)的組合稱為該電機(jī)的電特性。通過綜合分析各參數(shù)的搭配情況，可以判斷電機(jī)的狀態(tài)。電特性檢測(cè)是一種簡(jiǎn)單易用、快速精確，并對(duì)艦艇裝備沒有影響的檢測(cè)手段。目前，國(guó)外已在艦艇上廣泛推廣該技術(shù)，我國(guó)也在基地級(jí)監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了普及。

3.1 交流電機(jī)電特性的提出

在電機(jī)檢測(cè)中，采用以往常規(guī)的電氣檢測(cè)方法只能進(jìn)行絕緣、阻值、效率、電壓是否平衡等基本電氣故障，對(duì)部分阻值變化微弱的早期匝間短路，阻抗和相角不平衡產(chǎn)生的三相不平衡，定子故障等都無能無力。而且這些方法不能判斷出故障的嚴(yán)重程度，不能確定電機(jī)還能使用多長(zhǎng)時(shí)間，更不能判定故障出現(xiàn)的部位。

以此為背景，電特性檢測(cè)對(duì)早期匝間、層間、相間短路的可靠檢出，并能判斷故障源于定子還是轉(zhuǎn)子的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)被人們所關(guān)注。美國(guó)BJM（桑美）公司以此為基礎(chǔ)推出用于電特性檢測(cè)的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO 2000等一系列檢測(cè)設(shè)備，并將這種檢測(cè)方法統(tǒng)稱為MAC技術(shù)。

3.2 電特性檢測(cè)的原理

電特性檢測(cè)的基本原理是將交流電機(jī)等效成為一個(gè)包含有電阻、電容和電感的電路，如圖2所示[4]。

圖2 電機(jī)的等效電路

在實(shí)際檢測(cè)中，用于電特性測(cè)量的儀器可以輸出所需要的測(cè)試交流電，并將相關(guān)參數(shù)的采集計(jì)算集成在儀器中，只需操作儀器就可以獲全部電特性參數(shù)。

3.3 電特性檢測(cè)的核心

電特性檢測(cè)技術(shù)與眾不同之處在于對(duì)交流電機(jī)的阻抗和倍頻進(jìn)行測(cè)試，這也是其核心所在。

其中，阻抗平衡測(cè)試有別于常規(guī)電壓平衡測(cè)試，通過阻抗可以容易判斷轉(zhuǎn)子故障（鑄件缺陷、氣隙不均衡、偏心、斷條斷環(huán)）和繞組故障（匝間、層間、相間短路；絕緣缺陷），為電機(jī)狀態(tài)給出一個(gè)總體評(píng)估。

倍頻測(cè)試則可以直接指示定子繞組本身是否存在匝間短路。由圖2可以知道，當(dāng)電機(jī)沒有匝間短路時(shí)，測(cè)試儀器向電路中輸出高頻電流，感抗遠(yuǎn)大于電阻，即，此時(shí)電路近似于純電感電路；如果一旦發(fā)生匝間短路并進(jìn)一步發(fā)展到最后時(shí)，電感失效，電阻就會(huì)遠(yuǎn)大于感抗，即，此時(shí)電路近似于純電感電路。

當(dāng)電路為純電感電路時(shí)，即電流減少一半；

當(dāng)電路為純電阻電路時(shí)，即電流不變；

當(dāng)電路為純電容電路時(shí)，即電流增加一倍。

從上面可以看出，電機(jī)的匝間短路的產(chǎn)生和發(fā)展實(shí)際上電機(jī)等效電路從純電感電路向純電阻電路發(fā)展的過程，同樣倍頻值也是從-50%向0發(fā)展的過程。因此，倍頻值的變化就可以直接表示電機(jī)匝間短路的程度。

3.4 電特性檢測(cè)的評(píng)判

3.4.1 三相平衡的評(píng)判

三相平衡的判定目前采用 IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE通過15年的測(cè)試數(shù)據(jù)考核得到，如表2所示[3]。

表2 IEEE電機(jī)三相平衡標(biāo)準(zhǔn)

表中的數(shù)據(jù)均是采用每?jī)上嗨鶞y(cè)電特性數(shù)據(jù)求得偏移值進(jìn)行比對(duì)。其中，倍頻I/F和相角Fi為任意兩相測(cè)量值之差的絕對(duì)值得到的最大值，電感，阻抗。

目前，阻抗測(cè)試已經(jīng)被公認(rèn)為較直流電阻測(cè)試能更為精確地判斷三相平衡問題，因此該標(biāo)準(zhǔn)已成為美能源部推薦的電機(jī)質(zhì)量評(píng)判依據(jù)。

3.4.2 PENROSE評(píng)判準(zhǔn)則

PENROSE評(píng)判準(zhǔn)則的制定者是美國(guó)現(xiàn)任DREISILKER ELECTRIC MOTORS公司副總裁Howard W.Penrose博士，也是美國(guó)BJM公司前總經(jīng)理。Howard W.Penrose博士一直從事電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試和電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)的研究。他提出的PENROSE評(píng)判準(zhǔn)則主要有兩方面的內(nèi)容：精確區(qū)分定子與轉(zhuǎn)子故障的評(píng)判準(zhǔn)則。取表2中數(shù)據(jù)比較，當(dāng)三相電感L和阻抗Z保持“平行關(guān)系”時(shí)，三相不平衡的原因來自轉(zhuǎn)子；當(dāng)三相電感L和阻抗Z不是“平行關(guān)系”時(shí)，三相不平衡的原因多來自定子繞組的過熱或污染。

精確區(qū)分匝間、層間、相間故障的評(píng)判準(zhǔn)則。取表2中數(shù)據(jù)比較，當(dāng)Fi與I/F同時(shí)>2時(shí)，有同相、同繞組的匝間短路；當(dāng)Fi>1，且I/F平衡時(shí)，有同相繞組中的線圈間短路，即層間短路；當(dāng)Fi平衡，且I/F>2時(shí)，有相間短路。

4 電特性檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用

電特性檢測(cè)已經(jīng)作為一項(xiàng)必要工作，與電機(jī)振動(dòng)測(cè)量、電機(jī)軸承脈沖測(cè)量、電機(jī)紅外測(cè)量一起納入電機(jī)日常檢測(cè)四項(xiàng)內(nèi)容。所配置儀器操作簡(jiǎn)單，可以一次性讀取所測(cè)兩相的所有電特性參數(shù)。為避免拆卸電機(jī)，通常把測(cè)量位置選在電機(jī)配電箱處，找準(zhǔn)電機(jī)的三相供電接線，一般配電箱用U、V、W標(biāo)識(shí)。

4.1 海水泵檢測(cè)實(shí)例

某艦艇海水泵電機(jī)，電壓380 V，功率30 kW，轉(zhuǎn)速2960 r/min，立式安裝。2007年9月在停機(jī)期間進(jìn)行電特性檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表3所示。

將表3數(shù)據(jù)按表2中IEEE電機(jī)三相平衡標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，該電機(jī)處于良好狀態(tài)。

2008年3月再次檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定，該電機(jī)存在嚴(yán)重的三相不平衡，通過PENROSE評(píng)判準(zhǔn)則，此時(shí)三相電感Z和阻抗L保持“非平行關(guān)系”，可以推斷電機(jī)不平衡是源于定子繞組，再觀察相角Fi與倍頻I/F可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)i與I/F同時(shí)>2，因此判定為同相、同繞組的匝間短路。

后據(jù)了解，該艦艇在此期間參加長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練任務(wù)，機(jī)械設(shè)備使用強(qiáng)度大，保養(yǎng)次數(shù)少，造成電機(jī)惡化嚴(yán)重?？紤]到倍頻值偏離嚴(yán)重，為避免匝間短路發(fā)展成電機(jī)燒毀事故，將電機(jī)更換，返廠重新對(duì)定子進(jìn)行繞線。

表3 海水泵電機(jī)電特性數(shù)據(jù)(2007）

表4 海水泵電機(jī)電特性數(shù)據(jù)(2008）

4.2 凝水泵檢測(cè)實(shí)例

某艦艇造水系統(tǒng)中的凝水泵電機(jī)，電壓 380 V，功率23 kW，轉(zhuǎn)速2970 r/min，立式安裝。在2008年塢檢期間有艦員反映，該電機(jī)運(yùn)行時(shí)排量和壓力不足，有異常振動(dòng)和噪聲。通過振動(dòng)測(cè)試，初步判斷系統(tǒng)轉(zhuǎn)子不平衡。但考慮到艦員在崗位巡查時(shí)所測(cè)得電流有波動(dòng)，懷疑電氣故障的可能性較大，因此對(duì)該電機(jī)進(jìn)行電特性檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 凝水泵電機(jī)電特性數(shù)據(jù)(2008）

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，雖然電阻、倍頻、相角均保持平衡，但電感和阻抗出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡，且不是呈現(xiàn)平行關(guān)系。結(jié)合振動(dòng)測(cè)試的不平衡現(xiàn)象，初步判斷為轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障。

后經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，電機(jī)已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條。從這個(gè)例子可以看出，簡(jiǎn)易檢測(cè)中只測(cè)量電阻的方法并不能有效地發(fā)現(xiàn)故障，電阻平衡，但阻抗不一定平衡。

5 結(jié)論

1)通過類似海水泵檢測(cè)實(shí)例可以總結(jié)出，電機(jī)的狀態(tài)是隨著使用而惡化，長(zhǎng)期采集電機(jī)的電特性參數(shù)，摸索變化規(guī)律，掌握電機(jī)壽命期間電特性的變化曲線，可以有效檢測(cè)出電機(jī)所處狀態(tài)，并推斷出電機(jī)的剩余壽命。

2)通過凝水泵的檢測(cè)實(shí)例，我們可以看出電特性檢測(cè)不是萬能的手段，在對(duì)電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估時(shí)，應(yīng)采用多種方法相結(jié)合，動(dòng)態(tài)靜態(tài)相結(jié)合，與歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行綜合評(píng)估和判斷。

3)通過電特性檢測(cè)十幾年在海軍各艦艇部隊(duì)實(shí)際應(yīng)用所取得的良好效果，證明電特性檢測(cè)是一種對(duì)電機(jī)行之有效的檢測(cè)方法。在IEEE的推薦下，美國(guó)BJM（桑美）公司生產(chǎn)的ALL-TEST系列電特性檢測(cè)設(shè)備也在世界各地獲得了廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi) 許多行業(yè)也取得了良好效果。

4)電特性檢測(cè)是主動(dòng)維修思維模式下的產(chǎn)物，它是基于可靠性為中心的維修模式。許多通過這種方法檢測(cè)出帶有故障隱患的電機(jī)還可以繼續(xù)使用，對(duì)于部分規(guī)模小，以性價(jià)比為依據(jù)，維修模式還停留在事后維修的廠礦企業(yè)，并未將電特性檢測(cè)作為電機(jī)評(píng)判的手段。但是，在艦艇上電機(jī)必須時(shí)刻保持良好狀態(tài)以便隨時(shí)投入戰(zhàn)斗，軍事效益遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益的情況下，對(duì)電機(jī)開展預(yù)防性維修，電特性檢測(cè)是必不可少的。

[1]IEEE Std 493?-2007.Design of reliable industrial and commercial power systems.IEEE Power and Energy Society,2007.

[2]IEEE Std C37.96?-2012.IEEE guide for AC motor protection(S).IEEE Power and Energy Society,2012.

[3]汪平剛,張曉謹(jǐn),MCA技術(shù)原理及其在電機(jī)繞組故障診斷中的應(yīng)用(J).設(shè)備維修與管理,2005,8:32-35.

[4]Howard W Penros.Static motor circuit analysis: An introduction to theory and application(J).IEEE Electrical Insulation Magazine,2000,4(16):6-10.

[5]IEEE Std 43?-2013.IEEE recommended practice for testing insulation resistance of electric machinery(S).IEEE Power and Energy Society,2013.

[6]IEEE Std 112?-2004.IEEE standard test procedure for polyphase induction motors and generators(S).IEEE Power and Energy Society,2004.

[7]Howard W Penros.Estimating motor life using motor circuit analysis predictive measurements: Part 2(C).IEEE International Symposium on Electrical Insulation,Indianapolis,2004.

[8]Howard W Penros.Forensic analysis of multiple medium voltage 3 MW self-excited generators following field testing(C).Electrical Insulation Conference,2013.

[9]吳漢熙,韓寶江,李巧蓮,王傳軍.檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備在電機(jī)制造中的應(yīng)用(J).電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(5): 37-40.

[10]楊勇箭.三相交流電機(jī)故障診斷及維修(J).城市建設(shè)理論研究(電子版),2003.

[11]何偉.異步電機(jī)矢量控制的檢測(cè)及參數(shù)辨識(shí)(D).南昌大學(xué),2013.

[12]楊金芳.電機(jī)電器狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷(J).中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2014.

[13]武晶,肖國(guó)亮,鐘雪兵.HY-106C檢測(cè)儀在風(fēng)機(jī)故障診斷及處理中的應(yīng)用(J).冶金動(dòng)力,2014,10:48-50.

[14]肖利軍.大型電機(jī)鐵心故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析(D).哈爾濱理工大學(xué),2014.

[15]周長(zhǎng)城.基于信號(hào)注入的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)研究(D).哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[16]劉立忠.電機(jī)制造中檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用分析(J).電子技術(shù)與軟件工程,2014,4:150-151.

[17]劉卉圻.異步電機(jī)定子繞組匝間短路故障建模與檢測(cè)方法研究(D).西南交通大學(xué),2014.

[18]蘇丹.檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備在電機(jī)制造中的應(yīng)用(J).黑龍江科學(xué),2014,6(5):126.