基于MCA理論的電機故障檢測方式試驗研究

蘇高輝,古成中,羅日榮,倪 圓

(91663部隊,山東 青島 266000)

“21世紀新一代水面艦船將采用綜合全電力推進系統(tǒng)”已成為各國艦艇裝備發(fā)展的熱門話題。[1]美國及其他國家的海軍對綜合電力推進非常感興趣。[2]綜合電力系統(tǒng)的推進器由電機直接帶動，是動力系統(tǒng)的核心部件，一旦出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致艦艇失去機動性，喪失戰(zhàn)斗力。因此，必須對大型電機的技術(shù)狀態(tài)開展監(jiān)測工作。另外，在現(xiàn)代艦船上，輔助系統(tǒng)如消防系統(tǒng)的消防泵、艦船運動控制系統(tǒng)的操舵裝置、燃油滑油的注入轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等也都是靠電機帶動，這些電機的正常運轉(zhuǎn)對于保障艦艇的操作性、居住性、生命力，提高艦艇的總體作戰(zhàn)能力具有重要作用。對艦船動力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的電機狀態(tài)進行監(jiān)測，掌握其健康程度，分析潛在的故障隱患及發(fā)展趨勢，進行健康管理，對于保障其可靠運行，提高艦艇戰(zhàn)斗力具有十分重要的意義。

ALL-TEST公司生產(chǎn)的ALL-TEST PRO系列電機故障檢測儀基于電機電路分析(Motor Circuit Analysis，MCA)方法對電機繞組進行電氣性能測試，能夠?qū)﹄姍C定子繞組匝間短路、相間短路、層間短路等絕緣劣化做出早期預(yù)警，還可以檢測轉(zhuǎn)子缺陷、氣隙不均等電機缺陷，對電機電氣故障敏感，體積重量小，攜帶操作方便，是目前常用的電氣監(jiān)測儀器[3]。但是，電機檢測出一般性早期故障隱患，如果不出現(xiàn)大的電壓沖擊或誤操作還能運行相當長一段時間[4]。繞組絕緣劣化類故障即使拆解也不易從外觀看出，所以對電機故障檢測儀的檢出隱患不便于驗證。另一方面，電機故障檢測儀測試方式不同會得出不同的測試結(jié)果，可能導(dǎo)致故障原因的誤判。針對此問題，本文在實驗室條件下模擬了電機的三類故障模式，采用電機故障檢測儀進行了測試驗證。研究了不同測試方式對測試結(jié)果影響，探討了使用電機故障檢測儀開展電機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷的工作流程。

1 電機電路分析(MCA)測試原理

MCA方法將三相感應(yīng)電機的每一相繞組視為一個包含有電感、電容和電阻的等效電路，如圖1所示。左側(cè)部分為定子繞組的等效電路，右側(cè)部分為轉(zhuǎn)子通過變壓器原理變換得到的等效靜止轉(zhuǎn)子電路[5]。

圖1 感應(yīng)電機單相繞組的等效電路圖

MCA為每一相繞組輸入一個高頻的低壓交流信號，根據(jù)施加的電壓和流過繞組的電流計算出每相繞組的阻抗Z、電感L、直流電阻R、電流滯后電壓的相角P和倍頻值I/F(改變電壓頻率前后的電流相對變化情況)。正常電機的三相繞組對稱平衡，測得的三組上述參數(shù)也相同。當電機出現(xiàn)電氣異常時，會導(dǎo)致某相(或多相)繞組參數(shù)變化，測得的參數(shù)也不再平衡，MCA技術(shù)根據(jù)上述參數(shù)的不平衡程度和類型判斷電機的健康程度和故障類型[6]。

2 電機故障檢測儀測試方法

三相感應(yīng)電機通常有兩種接線方式，星形和三角形。圖2是電機端子接線解開時的示意圖，圖3是電機繞組星形接線時的接線示意圖，圖4是電機繞三角形接線時的接線示意圖。各圖中圖(a)是接線盒端子接線示意圖，圖(b)是電機內(nèi)部繞組接線示意圖。根據(jù)電機接線方式及等效電路測試原理，可以推知有四種測試接線方式，如表1所示，對比每種測試方式測得三組數(shù)據(jù)可判斷電機繞組健康狀態(tài)。

(a)接線盒端子 (b)電機內(nèi)部繞組接線示意圖圖2 電機繞組端子解開示意圖

(a)接線盒連接方式 (b)電機內(nèi)部繞組接線示意圖圖3 電機繞組星形接線示意圖

(a)接線盒連接方式 (b)電機內(nèi)部繞組接線示意圖圖4 電機繞三角形接線示意圖

測試方式電機接線方式第一次測試連線第二次測試連線第三次測試連線Ⅰ斷開繞組U1-U2V1-V2W1-W2Ⅱ星型U1-V1U1-W1W1-V1Ⅲ星型U1-中性點V1-中性點W1-中性點Ⅳ三角形U1-U2V1-V2W1-W2

Ⅰ型測試方式將三相繞組相間接線以及電源連線全部斷開，需要在電機接線盒處測試，測試結(jié)果是每一相繞組的電氣參數(shù)。Ⅱ型測試方式為電機星形接法時在控制箱處常用測試方式。Ⅲ型測試方式為電機星形接法時的一種測試方式，需要在電機接線盒處測試。Ⅳ測試方式為電機三角形接法時在控制箱處常用的測試方式。

3 實驗測試分析

為了分析電機故障檢測儀的實際應(yīng)用效果和不同測試方式的影響，實驗測試了兩臺三相鼠籠式異步感應(yīng)電機。一臺型號為Y100L2-4，人工制造了線圈間短路和相間短路兩種故障模式，同時還測試了該電機健康狀態(tài)下的繞組參數(shù)。另一臺電機型號為Y90S-2，人工制造了匝間短路故障模式。為了便于分析測試結(jié)果，兩臺電機均抽出轉(zhuǎn)子，只測試定子繞組，排除了轉(zhuǎn)子影響。

3.1 健康狀態(tài)

采用4種方式測試了Y100L2-4電機不存在故障時的定子繞組，測試數(shù)據(jù)見表2。由數(shù)據(jù)可以看出，對于健康電機，不同測試方式的三相參數(shù)均是平衡的。三相倍頻值均為-49%，接近純感性電路的-50%，說明電路不存在短路劣化。

表2 健康狀態(tài)電機定子繞組測試數(shù)據(jù)

測試方式Ⅱ的電阻值是測試方式Ⅰ電阻值的2倍，測試方式Ⅱ的阻抗是測試方式Ⅰ阻抗的2倍多。這是因為測試方式Ⅱ的測試電路為兩單相繞組的串聯(lián)電路。如圖3(b)，當兩個測試端子分別連接U1和V1，實際測試的是U繞組和V繞組的串聯(lián)電路。

測試方式Ⅲ和測試方式Ⅰ測試結(jié)果相同，說明不存在相間短路。

測試方式Ⅳ的測試電阻值和阻抗值都比測試方式Ⅰ的測試電阻值和阻抗值的小。這是因為測試方式Ⅳ的測試電路為兩相繞組串聯(lián)后再和另一相繞組并聯(lián)的電路。如圖4(b)，當兩個測試端子分別連接U1和U2時，實際上測試的是V繞組和W繞組串聯(lián)后再和U繞組并聯(lián)的電路。

3.2 匝間短路

實驗設(shè)置Y90S-2電機U繞組線圈內(nèi)發(fā)生了10匝導(dǎo)線匝間短路的故障模式，見圖5。采用4種方式測試了此時定子繞組的電氣參數(shù)，測試數(shù)據(jù)見表3。

由測試方式Ⅰ的數(shù)據(jù)可以看出，三相繞組直流電阻不平衡度為0.91%，U相電阻偏離平均值僅為0.03 Ω，這說明采用測直流電阻法來判斷繞組匝間短路故障是比較困難的。另外可以看出，三相阻抗不平衡度為11.69%，U相阻抗偏離平均值為9.67 Ω；三相電感不平衡度為12.50%，U相電感偏離平均值為2 mH；U相角偏離平衡值為6.33°；U相倍頻偏離平衡值為4。V和W兩相測試數(shù)據(jù)平衡，U相數(shù)據(jù)偏離，通過對比三相繞組數(shù)據(jù)可以快速定位故障在U相。U相相角和倍頻值都下降超標，可以據(jù)此判定U相出現(xiàn)了絕緣劣化，這與實際故障吻合，說明了電機故障檢測儀檢測結(jié)果的可靠性。

測試方式Ⅱ的阻抗、相角、電感和倍頻值的測試結(jié)果也都呈現(xiàn)出了不平衡特性，三次測試阻抗不平衡度為7.65%，電感不平衡度為6.03%，相角最大偏離值為3°，倍頻偏離平衡值為2。可見，這些參數(shù)的不平衡度都要遠小于測試方式Ⅰ的不平衡度。相對于測試方式Ⅰ，測試方式Ⅱ?qū)收系拿舾卸鹊诘汀Ａ硗?，每次測試實際測試的為兩相繞組，并不便于定位故障發(fā)生的繞組。

測試方式Ⅲ的結(jié)果與測試方式Ⅰ的結(jié)果相同，這是因為故障僅發(fā)生在U相繞組內(nèi)部，并未發(fā)生相間短路。

測試方式Ⅳ的阻抗、相角、電感和倍頻值的測試結(jié)果也都呈現(xiàn)出了不平衡特性，三次測試阻抗不平衡度為6.15%，電感不平衡度為5.26%，相角最大偏離值為4°，倍頻偏離平衡值為2.33。這些參數(shù)的不平衡度同樣都要小于測試方式Ⅰ的不平衡度。

表3 匝間短路故障電機定子繞組測試數(shù)據(jù)

圖5 電機定子繞組匝間短路

3.3 線圈間短路

實驗設(shè)置Y100L2-4電機U相繞組的兩個線圈之間發(fā)了1匝導(dǎo)線短路故障，見圖6。采用4種測試方式測試了此時定子繞組的電氣參數(shù)，測試數(shù)據(jù)見表4。由測試方式Ⅰ的數(shù)據(jù)可知，U相阻抗、相角、電感參數(shù)下降明顯，可揭示出U相繞組發(fā)生了絕緣劣化，與實際故障相符。該測試表明，即使只有1匝導(dǎo)線發(fā)生了短路，阻抗和相角的變化就很明顯，說明MCA技術(shù)檢測定子繞組線圈短路故障的靈敏度很高。

圖6 Y100L2-4電機定子繞組線圈間短路

測試方式電阻/Ω阻抗/Ω相角/°電感/(mH)倍頻/%R1R2R3Z1Z2Z3P1P2P3L1L2L3I/F1I/F2I/F3Ⅰ1.591.761.773650497781817109-48-49-49Ⅱ3.343.343.5110097119838385201923-49-49-49Ⅲ1.581.761.773650497882817109-48-49-49Ⅳ1.111.151.16313937778080677-49-49-49

3.4 相間短路

實驗設(shè)置Y100L2-4電機U相和V相之間發(fā)了1匝導(dǎo)線短路的相間故障，見圖7。采用4種方式測試了此時定子繞組的電氣參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表5。由測試數(shù)據(jù)可知，測試方式Ⅰ的三相數(shù)據(jù)是平衡的，表現(xiàn)不出故障。這是因為在三相繞組端子之間斷開連接時，即使兩相之間出現(xiàn)了短路，對一相繞組的測試也不會受其短路相的影響。而測試方式Ⅱ、測試方式Ⅲ和測試方式Ⅳ均出現(xiàn)了不同程度的不平衡。特別是測試方式Ⅲ的結(jié)果不再與測試方式Ⅰ的結(jié)果一致。這是因為當U-V發(fā)生相間短路時，測試U1-中性點之間的等效電路，其測試對象不僅包含U相繞組還要包含部分V相繞組。因此，當在控制箱測試結(jié)果不平衡，而在接線盒處采用測試方式Ⅰ測試結(jié)果平衡時，可以懷疑存在電機相間短路。

表5 相間短路故障電機定子繞組測試數(shù)據(jù)

圖7 Y100L2-4電機定子繞組相間短路

4 結(jié)束語

本文通過實驗研究了電機故障檢測儀的測試效果和測量方式對測試結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論。

基于MCA技術(shù)的電機故障檢測儀可以有效地檢測出電機定子繞組的絕緣劣化故障，對繞組早期故障敏感，檢測結(jié)果可靠。對于非相間短路故障，常用的控制箱處測試方式對繞組故障的敏感程度和故障定位準確性要低于電機接線盒處的測試方式。

但是，前者操作方便，后者操作相對繁瑣。在開展艦船電機監(jiān)測工作時，要在短時間內(nèi)測試數(shù)十臺電機，若都采用接線盒處測量，難度較大。因此，建議首先采用控制箱處測量方式進行大量電機普測，發(fā)現(xiàn)某臺電機較大參數(shù)不平衡時，再用接線盒處測量方式進行故障繞組定位及故障原因分析。