電機定子電磁振動異常故障的診斷與研究

李鵬，劉燁

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 浙江 310030；2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300452）

三相異步電動機在各行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，但在使用中經(jīng)常會發(fā)生故障而損壞，造成不必要的經(jīng)濟損失，故準確分析電動機故障有重要的意義。電動機故障主要分為定子、轉(zhuǎn)子及負載(機械部分)故障3類，而定子故障中主要包括定子偏心和定子繞組松動故障，是影響電動機使用壽命的主要原因之一。如果能夠針對電動機故障進行早期診斷，及時排除故障隱患，可大大降低由電動機故障給企業(yè)生產(chǎn)所造成的影響。本文詳細闡述了基于振動頻譜分析技術(shù)的一起定子冷卻水泵電機定子繞組松動故障檢測以及故障分析診斷過程，進而總結(jié)了電機定子繞組松動故障診斷的故障特征及分析方法，對電機定子故障診斷具有參考和指導(dǎo)意義。

1 故障發(fā)現(xiàn)與初步診斷

某電廠發(fā)電機組采用2臺常州市武進泵業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的臥式單級離心泵，電機為安徽皖南電機廠生產(chǎn)的型號為YE4-250M-2臥式電機，極數(shù)2，額定功率55kW，額定電壓380V，額定電流97.3A，額定轉(zhuǎn)速2980rpm。

該電廠1B#定子冷卻水泵在運行過程中電機驅(qū)動端附近存在較大振動，2020年12月3日振動通頻值5.49mm/s，超出報警值，通頻值在垂直和水平方向均較高，振動值見表1。

表1 1B#定子冷卻水泵振動通頻值

2 精密診斷分析方法及過程

2.1 基于振動頻譜特征的電機定子偏心或定子繞組松動故障診斷分析

對該泵振動頻譜進行分析，在定子冷卻水泵振動頻譜上主要頻率成分疑似為轉(zhuǎn)子兩倍頻振動，振動速度有效值達5mm/s RMS，泵測振動值較低。振動頻譜見圖1。

圖1 定子冷卻水泵電機驅(qū)動端頻譜

將泵聯(lián)軸器解列、電機單獨運轉(zhuǎn)，通過測試，振動值依然超標，且頻譜圖顯示其振動主要頻率成分仍然疑似為轉(zhuǎn)子2倍頻。據(jù)此初步判定泵組振動異常主要是電機的原因。因電機為2極交流電機，其轉(zhuǎn)子2倍頻（2X=99.3Hz）和2倍交流電頻率（2LF=100Hz）非常接近，可以通過電機斷電試驗或采用高分辨率儀器頻譜進行辨別。

為確定該頻率成分，對電機進行斷電試驗。通過斷電試驗可見，斷電瞬間疑似為轉(zhuǎn)子2倍頻處的高幅振動立即消失，排除電機機械安裝等故障，驗證疑似的100Hz主要頻率分量實際為2倍交流電頻率。

電機出現(xiàn)2倍交流電頻率一般主要有以下幾種原因：一是外部因素造成的地腳“軟腳”，可導(dǎo)致在鎖緊地腳螺栓過程中電機殼體變形致定子偏心；電機在設(shè)計制造過程中的缺陷或者運行中發(fā)生缺陷導(dǎo)致定子偏心或定子繞組松動；進一步測試：對電機地腳螺栓進行松開和緊固測試，可見2倍交流電頻率幅值變化輕微，故基本排除電機存在軟腳的可能。

2.2 綜合診斷結(jié)論

通過振動頻譜等技術(shù)綜合分析，結(jié)合現(xiàn)場情況最終判斷1B#定子冷卻水泵電機存在定子偏心或定子繞組松動故障問題，建議盡快安排設(shè)備返廠檢修或更換電機。電廠對電機進行了更換，更換后設(shè)備振動水平恢復(fù)正常。

3 電機定子偏心或定子繞組松動故障診斷總結(jié)

電機與其他所有機器設(shè)備一樣，在運行過程中有能量、熱量、磨損、振動等各種物理化學(xué)參數(shù)的傳遞和變化，這些信息變化直接和間接地反映出電機的運行狀態(tài)，而振動信息（位移、速度。加速度）能夠敏感地反映電機的運行狀態(tài)，利用振動診斷法可以有效地診斷出電機的故障。作為精密診斷，一般采用振動傳感器獲取電機運行狀態(tài)的振動信息，并用頻譜分析對這些信息進行分析和處理，通過狀態(tài)信息中分離的與故障直接有關(guān)的信息，以確定電機故障的狀態(tài)和部位。

電機定子電磁振動異常原因：定子三相磁場不對稱；定子偏心或定子繞組松動，將使定子電磁振動和電磁噪聲加大，在這種情況下，振動頻譜圖中，電磁振動除了2LF的基本成分外，有時還可以出現(xiàn)4LF、6LF、8LF的諧波成分；電動機機座地腳松動，其結(jié)果相當于機座剛度降低，是電動機在接近2f的頻率范圍發(fā)生共振，因而使定子振動增大，結(jié)果產(chǎn)生異常振動。典型定子偏心或定子繞組松動的頻譜特征見圖2。

圖2 典型定子偏心或定子繞組松動的頻譜特征

一般來說，電機定子偏心或定子繞組松動振動特征如下：（1）振動頻率為電源頻率的2倍；（2）切斷電源，電磁振動立即消失；（3）振動可在定子機座和軸承上測量；（4）振動大小和機座剛度和電機負載有關(guān)。（5）定子偏心產(chǎn)生不均勻的氣隙，其振動的單向性非常明顯。

通過振動頻譜精密診斷電機電磁振動故障時，應(yīng)注意區(qū)分軸承磨損、聯(lián)軸器不對中、轉(zhuǎn)子不平衡等非電氣類故障，生產(chǎn)實際中電機也很有可能同時存在多種故障，靈活運用振動頻譜分析方法，并結(jié)合設(shè)備和系統(tǒng)實際運行情況，不僅能夠準確判別故障類別，還能夠提高故障判別的及時性和準確性。

4 結(jié)語

實際工程運用中有大量采用鼠籠式異步電動機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備。三相異步電動機的保障多種多樣，產(chǎn)生原因也很復(fù)雜，而繞組是電動機的心臟部位，是最容易損壞而造成故障的部件。因此，及時判斷繞組的故障原因并進行相應(yīng)的處理，是防止故障擴大、保證設(shè)備正常運行的一項重要工作。如本文中的定子冷卻水泵為發(fā)電企業(yè)重要輔機，一旦停運損失較大。因該類電機故障，大部分發(fā)電企業(yè)自身不具備修復(fù)能力，必須返廠檢修，通過對電動機定子電磁振動的進行的有預(yù)見性分析，可以準確地識別電機故障征兆，對故障發(fā)展趨勢作出更準確判斷，從而減少了事故停機帶來的損失。通過精密診斷振動頻譜診斷技術(shù)，及時準確地診斷出設(shè)備故障，避免了一次設(shè)備二類障礙的發(fā)生，有利于及時制定檢修計劃，保障機組的安全經(jīng)濟運行。