電機靜態(tài)測試診斷技術在海洋石油平臺的應用

張寶華，張占軍，黃科馳

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

1 傳統(tǒng)電機診斷方法存在的問題

目前，海洋石油平臺廣泛使用異步鼠籠式電機作為動力裝置，海洋石油行業(yè)研究表明，電機故障53%是軸承故障、不平衡和松動等機械原因；其余47%是電氣原因，其中10%源于轉子，如鑄件缺陷導致的不平衡氣隙、斷條等，37%源于定子繞組。電機機械故障一直采用傳統(tǒng)的振動分析法和紅外檢測法，電氣故障的診斷則使用絕緣測試、直流高壓測試、高壓沖擊測試和局部放電測試等方法。傳統(tǒng)測試手段對電機故障的判斷存在一些問題，大多需要解體測試才能準確判定故障點。

2003年以來，海洋石油平臺陸續(xù)應用設備狀態(tài)監(jiān)測技術，一直采集和分析振動信號作為設備故障診斷的主要方法，主要診斷軸承故障、不平衡、不對中和松動（零部件配合間隙超差）等故障類型。這種診斷方法主要通過振動傳感器采集電機振動信號，將電信號轉變?yōu)槟M信號，經處理后形成時域波形，利用FFT轉換，形成振動頻譜，診斷人員通過時域和頻域分析，找到振動主導頻率。根據(jù)確定具有相應振動頻率的故障部件，進一步確定故障根源，將振動幅值與相應振動標準進行對比，確定故障烈度。實踐證明振動診斷技術對于軸承故障、不平衡、不對中、松動、軸彎曲等診斷極為有效，但是對于電機轉子斷條以及轉子和定子偏心等電氣故障的診斷明顯不足，必須借助其他手段才能準確定位。目前可以利用電機靜態(tài)測試診斷（MCA，Motor circuit static analysis）技術進行電機非解體故障診斷，準確定位電機故障性質，做出正確維修決策，實現(xiàn)可靠性維修。

2 MCA技術測試及診斷原理

電阻測試及絕緣測試系統(tǒng)進行電機線路故障檢測帶來的問題是，某些大電機繞組阻值非常低，導致歐姆表無法足夠精確地檢測故障，而且若存在高阻故障（高于簡單繞組電路）還會漏檢；許多電機雖然出現(xiàn)故障，但電阻仍然保持平衡。目前發(fā)現(xiàn)利用停電狀態(tài)下電機的電磁特性和高頻電流進行相位測試，從而發(fā)現(xiàn)電機電路中存在的缺陷已成為可能。MCA技術的基本原理是將電機看成1個包含電阻、電感和電容的復雜電路進行分析。

2.1 阻抗測試。電機電路的阻抗和電感直接受轉子繞組位置、質量以及定子繞組類型，匝間互感和自感的影響，通過阻抗測試可反映電機運行狀態(tài)。交流電機三相平衡是三相阻抗（不是直流電阻）的平衡，阻抗測試結果反映轉子故障。

2.2 倍頻測試。阻抗根據(jù)轉子位置或故障產生變化，因此必須采用專門方法確定定子本身缺陷，從而區(qū)分出轉子故障?？梢酝ㄟ^施加1個應用頻率，設置電流基準值完成。將頻率加倍（倍頻測試）并觀察每相的電流變化比值，這一結果是對匝間狀態(tài)的準確考察。因為繞組阻抗的主要成分是電感，倍頻電流變化通常是15%～20%。定義這一變化量為I/F，即匝間短路評判值。匝間短路發(fā)展過程就是繞組由接近純電感電路，向純電阻電路發(fā)展的過程，即I/F值由-50%向0%發(fā)展的過程（負號代表減少）。對交流電機三相I/F值的比較，很容易發(fā)現(xiàn)早期微小的匝間短路。如三相測試結果分別為-48%、-48%和-47%，表明最后一相有較輕微的匝間短路；-48%、-47%和-43%則表明相間可能發(fā)生嚴重短路。

3 應用實例

MCA技術首先在美國通過了能源部考核，并得到認可，此后在我國能源、鋼鐵等行業(yè)逐步推廣應用。2009年，中國海洋石油中國有限公司引進了MCA技術。

2013年5月25日，某采油平臺900 kW注水泵電機軸承高溫，通過振動數(shù)據(jù)采集和振動頻譜分析，電機驅動端軸承（已做過維修）診斷為電機轉子條斷裂，導致電機效率低，電能轉化為熱能，造成軸承高溫。建議平臺對該電機進行大修，修復轉子條。

由于修復電機轉子條必須要將電機返回陸地解體，然后融掉所有轉子條和短路環(huán)，處理鐵芯，再重新澆注轉子條和短路環(huán)，進行各種相關測試后，整個維修周期至少需要2個月。作業(yè)公司和平臺經過慎重考慮，決定采用MCA技術對電機進行故障診斷，同時處理電機軸承高溫故障。此次采用北京西馬力檢測儀器有限公司ALL-TESTⅣ電機靜態(tài)檢測儀，測試相關數(shù)據(jù)后進行轉子細化分析。

3.1 現(xiàn)場對電機進行盤車測試，第一次按24等份盤車，即每盤15°度測試1次電機的電感和阻抗（表1）。根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行轉子細化曲線（圖1），觀察曲線未出現(xiàn)波形畸變，判斷轉子條沒有發(fā)生斷裂。

3.2 為再次確認，第二次按48等份盤車，測量數(shù)值略。根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行轉子細化曲線（圖2），觀察曲線均較正常，表明轉子條并未發(fā)生斷裂。

表1 24次盤車測試數(shù)據(jù)

目前該電機三相阻抗和電感存在偏差，但電機轉子條并未發(fā)生斷裂?？紤]到以前存在軸承高溫問題，建議對軸承裝配進行檢查，尤其是驅動端，如果裝配方面存在缺陷，也會在振動頻譜中出現(xiàn)電機轉子條通過頻率，使故障診斷人員誤判是轉子條故障。

隨后，在平臺拆檢該電機軸承箱，發(fā)現(xiàn)驅動端軸承室內1個O型膠圈損壞，造成6222深溝球軸承的定位不準（該軸承承受轉子軸向力），不僅造成軸承高溫，也使轉子在磁場中的存在定位偏差，造成轉子條通過頻率。完善軸承室的裝配后，電機經過空運轉和負荷運轉試驗，均未發(fā)生軸承高溫故障。

此次應用MCA技術，成功避免了一次大型注水電機因誤診斷而大修，節(jié)省維修費用近20萬元。

4 結束語

電機故障集電氣與機械于一體，征兆表現(xiàn)呈多樣性，既有機械故障的一般特性，也有電氣、磁場等故障特性，因此必須打破傳統(tǒng)診斷觀念，采取多種技術，發(fā)揮各自優(yōu)勢，綜合分析故障原因和性質。故障診斷正確可避免盲目大修，可為海洋石油平臺設備維護節(jié)約大量人力物力，是企業(yè)實現(xiàn)“低碳”維修的途徑之一。

圖1 24等份盤車測試曲線

圖2 48等份盤車測試曲線

［1］ 孔亞林.基于振動信號的滾動軸承故障診斷方法研究［D］.大連:大連理工大學，2005.

［2］ 豐田利夫.現(xiàn)場設備診斷的開展方法.1版.機械工業(yè)出版社，1985.

［3］ 沈標正.電機故障診斷技術［M］.機械工業(yè)出版社，1996.