電特性檢測在電機預(yù)防性檢修和故障診斷中的應(yīng)用研究

李 霏，顧 含，董慶豐

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引 言

目前，因電機有著，原理成熟、結(jié)構(gòu)可靠、維護(hù)簡便等優(yōu)點[1]。在測量船上得到廣泛應(yīng)用，它的性能和技術(shù)狀態(tài)直接影響了船舶整體保障和技戰(zhàn)術(shù)水平。

根據(jù)統(tǒng)計，電機故障中有近一半為電氣故障。在長久的電機使用和管理過程中發(fā)現(xiàn)，電機發(fā)生轉(zhuǎn)子或定子故障時，容易導(dǎo)致繞組過熱而被燒毀，甚至發(fā)生接地故障以及相間故障。

在當(dāng)前電機電氣故障的判斷中，實際管理和可操作層面主要是對電流、電壓、絕緣情況進(jìn)行判斷，預(yù)判性和精確定位性不佳。

本文將提出電機電特性檢測方法，采用模糊診斷規(guī)則，運用電機模型對電機故障精確判斷方法進(jìn)行必要的優(yōu)化。

1 電機故障概率情況分析

IEEE在《IEEE Std C493-2007(Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems)》《IEEE Std C37.96-2012(IEEE Guide forAC Motor Protection)》中，統(tǒng)計與分析了1 000余臺電機的技術(shù)狀態(tài)，其中故障部位和故障發(fā)生的概率如表1所示[2-3]。

表1 電機出現(xiàn)故障部位及概率

注：部分電機不止一處故障。

美國電力研究學(xué)會(EPRI)對于電機的報告中，電氣故障原因占47%，機械故障原因占53%。電氣故障主要為匝間、層間和相間短路絕緣問題、電機內(nèi)部或外部接線盒線纜損壞，電機故障統(tǒng)計分布圖如圖1所示。

圖1 電機故障統(tǒng)計分布圖

測量船長期在遠(yuǎn)海工作，其電機工作情況相對惡劣。

通過對近8年某測量船電機故障發(fā)生情況進(jìn)行統(tǒng)計：全船電機發(fā)生各類故障84起，其中機械故障53起，電氣故障31起，如圖2所示。

圖2 某測量船2008年—2015年電機故障統(tǒng)計

因此，在測量船進(jìn)入服役年限的中后期，預(yù)先發(fā)現(xiàn)故障隱患、預(yù)先進(jìn)行保養(yǎng)檢修對于提升船舶安全性、延長裝備使用壽命顯得尤為重要。電特性檢測為解決電氣故障提供了有效途徑。

2 電機狀態(tài)檢測技術(shù)

“以可靠性為中心的維修模式(RCM)”的理念在20世紀(jì)末由歐美發(fā)達(dá)國家率先提出。該模式核心理念是裝備主動維修，核心目標(biāo)是提升裝備可靠性[4]。檢測技術(shù)作為其中開展維修技術(shù)支撐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，逐漸演變成為應(yīng)用研究方向。

預(yù)防性檢修的裝備管理和保障模式已經(jīng)在測量船廣泛運用，但缺乏相應(yīng)的技術(shù)支持，導(dǎo)致預(yù)防性檢修在實際運用中存在一定的盲目性，電機狀態(tài)檢測技術(shù)能夠提出相應(yīng)支持。

按照電機檢測時所處的狀態(tài)不同，主要分為靜態(tài)和動態(tài)檢測，更詳細(xì)地劃分為：電氣動態(tài)檢測、電氣靜態(tài)檢測和機械動態(tài)檢測3大技術(shù)[5]。

電氣靜態(tài)檢測和動態(tài)電氣檢測均是對電機的電氣參數(shù)進(jìn)行測量。機械動態(tài)檢測則是對電機進(jìn)行機械部件的檢測，現(xiàn)在主要采用信號分析和處理方法進(jìn)行，能夠從機械角度判斷電機的性能狀態(tài)。例如，利用譜峭度特征提取進(jìn)行軸承故障檢測[6]等。

3 電機電特性綜合檢測

電機的電特性源于美國海軍電機檢測、監(jiān)測實際應(yīng)用過程中的習(xí)慣稱法，現(xiàn)在并沒有成體系的標(biāo)準(zhǔn)定義。本文將交流電機電氣靜態(tài)狀態(tài)下，繞組每兩相之間的電阻、電感、阻抗、相角、倍頻和絕緣情況等的電機技術(shù)數(shù)據(jù)組合統(tǒng)稱為電機靜態(tài)電特性。

3.1 電特性檢測與常規(guī)方法的比較

測量船常用的電機檢測方法主要通過電機繞組絕緣，繞組阻值、效率，運行電壓和電流是否平衡等進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)判斷。該類方法的缺點是無法判斷故障和隱患的嚴(yán)重程度，無法精確判定故障部位。

電機的電特性的檢測方法借助電特性參數(shù)分析、計算，針對常用方法中無法判定的阻值微弱變化，早期的相間、層間、匝間短路故障進(jìn)行可靠判別，并能通過相應(yīng)判據(jù)精確區(qū)分故障源自于電機定子或是轉(zhuǎn)子。相較其他方法，電特性檢測并不需要使用額外的數(shù)據(jù)傳感器[7]。

桑美(BJM)公司現(xiàn)已推出的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等電機全參數(shù)檢測儀器與設(shè)備能夠?qū)﹄娞匦詸z測所需要的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測。

3.2 電特性檢測原理

本研究根據(jù)電機原理和電特性檢測原理，對電機建立等效電氣原理電路，如圖3所示。

圖3 電機等效電路

在實際的檢測運用中，通過相關(guān)儀器與檢測設(shè)備將所需要的電機電特性參數(shù)檢出，并通過進(jìn)一步計算，獲取電阻、電感、阻抗、相角、倍頻等參數(shù)。其中，阻抗和倍頻兩個參數(shù)是電特性檢測中的關(guān)鍵參量[8]。

對電機等效電路進(jìn)行分析，在對電機輸入一個高頻電流時，其電感對于電路的影響遠(yuǎn)大于電阻，此時可以電路近似為一個純電感電路。而在電機發(fā)生短路故障時，在這里以匝間短路為例進(jìn)行分析，此時電機繞組不再表現(xiàn)為感性電路，失去電感作用，電阻對于電路的影響就遠(yuǎn)大于電感，在模型中即表現(xiàn)為一個阻值較大的電阻電路。按照等效電路進(jìn)行計算，其表現(xiàn)為純電感和純電容時，電路當(dāng)中的電流分別為純電阻狀態(tài)的1/2和2倍[9-10]。

因此，根據(jù)電機原理電路，匝間故障將導(dǎo)致其電路狀態(tài)發(fā)生改變，即根據(jù)故障嚴(yán)重程度，等效電路將向純電阻電路逐漸過度變化，而其倍頻值則表現(xiàn)為由-50%逐漸衰減至0的過程。因此，可根據(jù)倍頻變化判斷電機繞組質(zhì)量。

阻抗平衡測試相較電機檢測中常用的三相電壓平衡測試、三相電流平衡測試更為準(zhǔn)確和精確。

3.3 電特性檢測的評判

3.3.1 電靜態(tài)三相平衡的評判

IEEE對于電機性能狀態(tài)的評判標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)國際電氣組織近20年來的測量情況所得如表2所示。

表2 IEEE電機三相平衡標(biāo)準(zhǔn)

表中的數(shù)據(jù)為電機靜態(tài)特性中，三相電中每兩相所測數(shù)據(jù)的偏移值比對。電感和阻抗的判斷標(biāo)準(zhǔn)為其波動值所占其均值的百分比，而倍頻、相角檢測則為三相中任取兩相測量值之差的最大數(shù)值。

其中，偏移量為對三相平均值的偏移量最大值。倍頻為定義的測試量，即電流在頻率加倍后的變化量。當(dāng)頻率加倍后，電路為純電感電路時，電流變?yōu)樵瓉?/2；純電阻電路時，電流不變；純電容電路時，電流增加一倍。因此，電機出現(xiàn)匝間短路的發(fā)展趨勢即是I/F值從-50%向0%的發(fā)展趨勢。

3.3.2 潘羅斯判據(jù)

潘羅斯判據(jù)是由美國現(xiàn)任德雷思科勒電機公司副總裁霍華德·W·潘羅斯博士提出的。該方法得到了國際電機組織的認(rèn)可[11]。

潘羅斯判據(jù)適用于所有三相電機。在電特性檢測中，采用潘羅斯判據(jù)作為評判準(zhǔn)則進(jìn)行建模，利用模糊診斷方法對電機故障進(jìn)行仿真。

3.3.3 評判準(zhǔn)則的模糊診斷優(yōu)化和仿真

綜合三相平衡和潘羅斯的評判方法，已能夠?qū)﹄姍C三相平衡和三相不平衡來源進(jìn)行判別，并根據(jù)表2能夠?qū)﹄姍C健康狀態(tài)進(jìn)行初步判別，但仍無法精確判斷電機繞組故障程度?，F(xiàn)要通過Simulink軟件的fuzzy工具和Matlab軟件建立電機模型，進(jìn)行對應(yīng)的仿真計算和分析，并用模糊診斷的方法對評判準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。

本研究根據(jù)電機模型和電路理論，參照模糊診斷的假設(shè)條件[12]，建立相軸模型方程，電機繞組運行情況表示為：

(1)

(2)

式中：下標(biāo)1—定子繞組；下標(biāo)2—轉(zhuǎn)子繞組；ψ—磁通；R—電阻；M—電感；I—電流；U—電壓；K—常數(shù)矩陣；s—為轉(zhuǎn)差率；ωN—額定角速度；F—定子繞組的對稱系數(shù)矩陣；F—繞組短路的嚴(yán)重程度用矩陣函數(shù)，F(xiàn)=diag(fa,fb,fc)。

其中，fi(i=a,b,c)=(總匝數(shù)—故障匝數(shù))/總匝數(shù)。繞組在正常情況下，保持三相對稱，即fa=fb=fc=1；而當(dāng)繞組的某相發(fā)生短路故障時，則三相平衡被破壞，即fa=fb=fc<1。

ψ2=diag(ψ2a,ψ2b,ψ2c)

(3)

P1=diag(r1,r2,r3)

(4)

R2=diag(r2,r2,r2)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在fuzzy工具的診斷器中，輸入定子繞組三相電流ia、ib、ic的標(biāo)幺值Ia、Ib、Ic，三相電流的方差V，輸出為電機的定子狀態(tài)SC。將電機繞組的4個電特性參數(shù)電感、阻抗、倍頻和相角分別對應(yīng)模糊集：VS，S，M，L，將繞組的匝間、層間、相間狀態(tài)分別對應(yīng)3個模糊集：N，D，SD。

Simulink仿真模型圖如圖4所示。

圖4 Simulink仿真模型故障環(huán)設(shè)定

在模型中，代入電機基本輸入?yún)?shù)，如表3所示。

表3 模擬電機輸入?yún)?shù)

Simulink的仿真結(jié)果經(jīng)過Matlab軟件輸出電機繞組模擬狀態(tài)后，得到電機繞組狀態(tài)的仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 電機仿真圖

圖5中，倍頻、相角和繞組電流分別對應(yīng)x，y，z軸。圖中能夠表示繞組電流狀態(tài)，其中波谷為電機氣隙部分，波峰為繞組位置，淺色為其在正常溫度范圍運行，深色為繞組出現(xiàn)過電流的狀況，可以判斷為存在短路。圖5(a-c)，分別對應(yīng)與I/F>2且Fi>2°，F(xiàn)i>1且I/F平衡、Fi平衡且I/F>2時的繞組狀態(tài)，3個波峰對應(yīng)電機繞組線圈的匝間、層間和相間狀態(tài)。

根據(jù)圖5(a)，繞組在倍頻差大于2，相角差大于2°的波峰出產(chǎn)生過電流，說明存在同相、同繞組的匝間短路；圖5(b)在相角大于1°的區(qū)域的兩個波峰出現(xiàn)了過電流，說明繞組存在層間短路；圖5(c)中倍頻差大于2的區(qū)域內(nèi)，3個波峰出現(xiàn)過電流，說明繞組存在層間短路。

因此，基于Simulink軟件的電機繞組模型能夠很好地反映繞組故障中的短路情況，能夠精準(zhǔn)判別相間、匝間和層間短路3種狀態(tài)。

4 實驗及結(jié)果分析

由于其可在線進(jìn)行檢測的便利性，電特性檢測能夠作為一項電機的日常檢測項目結(jié)合電機預(yù)防性保養(yǎng)等進(jìn)行實施。采樣數(shù)據(jù)可通過桑美公司的檢測儀器檢出，在電機配電或接線位置選擇三相線即可進(jìn)行檢測。

4.1 海水冷卻泵電特性檢測實例

某測量船輔機海水冷卻系統(tǒng)某臺海水冷卻泵電機，銘牌標(biāo)注性能指標(biāo)為額定電壓380 V，額定功率45 kW，額定轉(zhuǎn)速2 960 r/min。

在2008年裝船后使用8年，分別在2015年2月和2016年3月對其進(jìn)行2次的電特性采樣，2次數(shù)據(jù)如表(4，5)所示。

表4 2015年電特性數(shù)據(jù)采樣

表5 2016年電特性數(shù)據(jù)采樣

根據(jù)2015年的數(shù)據(jù)采樣結(jié)果分析，該電機各項參數(shù)正常，而在正常使用中也未表現(xiàn)出故障征兆，性能良好。

而在2016年后，該電機的帶負(fù)載性能下降，運行電流顯著增大，遂再次進(jìn)行電特性采樣。通過評判準(zhǔn)則，其三相繞組狀態(tài)存在不均衡的現(xiàn)象，電機的電感與阻抗為非比例線性關(guān)系，推斷其三相繞組不平衡是由于電機定子問題導(dǎo)致。再根據(jù)評判準(zhǔn)則的優(yōu)化結(jié)論，相角差和倍頻差數(shù)值均大于2，判斷其繞組存在匝間短路。之后對該電機進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)實際情況與推斷一致。后調(diào)取該電機的運行登記簿，發(fā)現(xiàn)其使用頻率高、強度大，而預(yù)防性保養(yǎng)的次數(shù)較少，導(dǎo)致其在正常運行8年時間后，在短短1年時間內(nèi)即出現(xiàn)了故障急速惡化的情況。

4.2 海水增壓泵檢測實例

某測量船板式蒸餾造水機的海水增壓泵電機，銘牌標(biāo)注性能指標(biāo)為額定電壓380 V，功率13.5 kW，轉(zhuǎn)速2 970 r/min。該電機在使用3年時間后，運轉(zhuǎn)中常伴隨有異常噪聲，且振動劇烈。

觀察其運轉(zhuǎn)時電流情況，在負(fù)載穩(wěn)定的情況下，存在電流較大的波動，故對其進(jìn)行電特性采樣，采樣數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 2014年電特性數(shù)據(jù)采樣

其中，UV，UW，VW分別為三相電機U、V、W三相的相間參數(shù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，該電機電感和阻抗偏移值均達(dá)到了35%，存在較為嚴(yán)重的三相不平衡情況；而其電感和阻抗并非等比例線性關(guān)系，根據(jù)其實際運行情況，推斷其轉(zhuǎn)子繞組存在故障。在之后進(jìn)行的拆檢中，其轉(zhuǎn)子斷條。電特性檢測的實際效果得到驗證。

5 結(jié)束語

針對目前采用常用方法無法對阻值變化微弱的早期相間、層間、匝間短路故障進(jìn)行可靠判別的問題，本研究采用了潘羅斯判據(jù)，運用了模糊診斷的方法精確地區(qū)分了源自于電機定子還是轉(zhuǎn)子的故障，并判別相間、匝間和層間短路3種狀態(tài)，借助2個實驗對該方法的可行性進(jìn)行了驗證。

實驗結(jié)果表明：采用該方法與電機動態(tài)性能檢測相配合，能夠更為全面地反映電機電氣狀態(tài)，這對于電機性能的綜合評估和故障判斷具有廣泛的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] 楊金芳.電機電器狀態(tài)檢測與故障診斷[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2014(9):122.

[2] IEEE Std 493TM-2007. Design of reliable industrial and commercial power systems[S]. New York: IEEE Power and Energy Society，2007.

[3] IEEE Std C37.96TM-2012. IEEE guide for AC motor protection[S]. New York: IEEE Power and Energy Society，2012.

[4] 邱赤東，任 光.船舶電機早期故障檢測方法的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2009,21(1):277-281.

[5] 王旭紅，陳 艷，彭建春.在線監(jiān)測電機定子繞組匝間短路故障的新方法[J].高電壓技術(shù)，2003,29(1):28-30.

[6] TIAN J, MORILLO C, AZARIAN M H, et al. Motor bearing fault detection using spectral kurtosis-based feature extraction coupled with K-nearest neighbor distance analysis[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,63(3)：1793-1803.

[7] TIAN J, AZARIAN M H, PECHT M. Anomaly detection using self-organizing maps-based K-nearest neighbor algorithm[D]. College Powk: Center for Advanced Life Cycle Engineering, University of Maryland,2014.

[8] 洪 杰.電機綜合保護(hù)及轉(zhuǎn)子故障診斷的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,2009.

[9] 張建文，姚 奇，朱寧輝，等.異步電動機定子繞組的故障診斷方法[J].高電壓技術(shù),2007,33(6):114-117.

[10] 蔣云飛，楊宣訪，張 超.發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測[J].電機控制與應(yīng)用，2011,36(6):40-45.

[11] PENROSE H W, JETTE J. Static motor circuit analysis: an introduction to theory and application[J].IEEEElectricalInsulationMagazine,2000,16(4):6-10.

[12] CHANG X, COCQUEMPOT V, CHRISTOPHE C. A model of asynchronous machines for stator fault detection and isolation[J].IEEETrans.onIndustrialElectronics,2003,50(3):578-584.