船用電機故障分析研究

曾新紅

(廣州航海高等專科學校，廣州 510725)

0 引言

船用電機是船舶電力系統中的一個要組成部分, 主要包括船用三相異步電動機，船用三相同步發電機， 船用直流電機以及中頻電機等。船用電機由于工作在環境溫度高、濕度大、有油污及振動大的特殊環境中，隨著運行時間的推移，電機的整體使用性能及技術工況會逐步下降。因此根據電機的運行工況，合理排查相關的電氣設備安全隱患和制定相應的檢修維護措施、提高故障處理速率、保障船舶電氣系統運行的可靠性以延長設備的使用壽命顯得尤為重要。

1 船用電動機故障

船用電動機由于其運行環境的特殊性，易出現各種各樣的故障。電動機在長期運行中，一些結構、部件會逐漸劣化，逐漸失去原有的性能和功能，加上由于制造、安裝及維護不當等原因，會出現機械和電氣方面的故障。一般情況下電動機斷路故障多發生在繞組的端部、接頭處或引線處等部位[2]。在船舶電機故障中，軸承故障是常見故障之一。據統計，電機常見故障中軸承故障的發生幾率高達41%[5]另外還有常見故障是轉子偏心和絕緣故障。這些常見故障導致的故障現象有：(1)起動困難或根本不能起動；(2)電動機異常振動和產生噪音；(3)電動機溫升過高或冒煙。下面為船用電機常見故障及其消除方法。

1.1 電機軸承故障

軸承故障是電機故障中發生概率最高的, 軸承異常易產生機械振動。滾動軸承損壞，不但噪聲加大，而且還會使電機振動加劇（如軸承氣隙過大）。電機軸承偏心或徑向軸承損傷，導致產生徑向震動加強，轉子軌跡會產生橢圓或雜亂現象[3]。原因可能是軸承安裝未對正，制造偏差，或是機殼變形引起軸承滑位，或是軸承安裝不當，軸承缺油或油中進雜質，或是軸承磨損，滾動軸承內、外圓和滾動體損壞，滑動軸承油膜震蕩等。船舶電機軸承故障的檢驗方法[5]有多種：溫度診斷方法、振動診斷方法、基于參數辨識法、瞬時功率分析法和氣隙轉矩分析法等，每種方法都有其優點與局限性。對于實際工作中遇到的情況，應考慮不同狀況進行分析應用何種方法來判定軸承的好壞。進而調整軸承位置,或是根據軸承的損壞程度，更換軸承。

1.2 轉子故障

轉子故障有轉子本身的故障和轉子繞組的故障。制造缺陷或受負載沖擊促使鍵連接松動，繼而造成鐵心、支架松動或開裂是造成轉子故障的主要原因。轉子匝間短路、斷條，或轉子零部件脫落和轉子端環移位卻易造成轉子不平衡，從而產生異常振動和噪音。當是由于安裝未校對平衡而導致轉子不平衡時，可用配重的方法[1]使其平穩。轉子繞組絕緣損傷、過熱、或污垢積存易導致轉子繞組匝間短路，出現電流擺動，三相電流不平衡現象。由于設計、制造缺陷、或長期過載,焊接不良導致的轉子繞組斷條、開焊,會導致電機電流擺動，起動困難。船用電機的斷條多出在重負荷、反復正反轉起動的電機上，如錨機電動機，絞纜機電動機等[1]，其故障現象是斷條電機在運轉時有周期性的振動與噪聲。直流電機轉子斷條時，會出現換向火花加大現象。

一種簡單實用的轉子斷條檢查方法：將疑有斷條的電機通以低壓交流電（以轉子不動為宜），再用手緩慢轉動轉軸，測量各相電流。若轉動到某一位置電流表指示變小，則說明轉子有斷條。初步確定轉子斷條后，再用短路檢查器確定到底斷了多少根。一般當轉子斷條根數大于轉子槽數的七分之一以上時，必須更換轉子繞組，少量的斷條對電機的出力影響不大[1]。

關于電機轉子斷條故障，國內外很多學者都有進行研究。利用采集定子電壓和電流信號進行頻譜分析[10]，能準確的檢測出定子轉子斷條、繞組匝間短路、軸承磨損等各種常見故障；采用單相功率頻譜分析法[11]具有診斷靈敏度高、對采樣分辨率要求低的優點，適用于感應電機的轉子斷條故障診斷。由上海交通大學研究所與立新船廠合作研究的超聲波無損探傷技術[4]也是一種能快速判定船用電機轉子嵌條斷裂情況的無損檢測方法，在對船用不同類型的電機轉子嵌條進行檢測研究中，能正確無誤地檢測出轉子嵌條的情況。文獻[12]中提出的一種基于小波分析、自適應濾波與連續細化傅立葉變換的轉子斷條在線檢測新方法，可以避免負載波動對轉子斷條在線檢測的影響，大大提高了轉子斷條在線檢測的準確性。

1.3 定子故障

電動機定子故障主要是定子繞組短路故障、定子繞組接地故障和定子繞組斷路故障。定子繞組出現故障時，會引起氣隙磁場的畸變,從而或多或少的引起轉子動偏心。如果三相交流電動機定子繞組發生短路故障時，繞組的自感、互感將發生變化。定子電流的高次諧波明顯增強，從而導致三相電流之間的相位差發生變化。所以可以采用基于定子電流相位的診斷方法[3]來判定定子繞組有無短路故障。由于制造工藝的原因，實際的電機不可能完全對稱。所以，一般當三相電流的不對稱程度大于8%，且三相電流之間的相位差偏差120°的最大值超過7°時，可判定定子繞組出現短路故障。

定子繞組接地故障后，會使電動機的機殼帶電，繞組過熱，從而導致短路，造成電動機不能正常工作。檢查定子繞組接地故障的方法很多，不管使用何種方法，在具體檢查時首先應將各相繞組接線端的連接片拆開，然后再分別逐相檢查是否有接地故障。實踐證明，電動機的接地點絕大部分發生在線圈伸出鐵心端部槽口的位置上。所以可用觀察法，檢查其相關部位絕緣有無破裂和燒焦發黑的痕跡。如沒有這些跡象，則接地點可能在槽里。用萬用表檢查法檢測時，先將三相繞組之間的連接線拆開，使各相繞組互不接通。然后將萬用表的量程旋到 R×10 kΩ 擋位上，將一只表筆碰觸在機殼上，另一只表筆分別碰觸三相繞組的接線端。若測得的電阻較大，則表明沒有接地故障；若測得的電阻很小或為零，則表明該相繞組有接地故障。

當電動機定子繞組發生斷路故障時，會導致電動機啟動困難，甚至不能啟動。大量的實踐證明，定子繞組斷路故障大多數發生在繞組端部、線圈的接頭以及繞組與引線的接頭處。常用的定子繞組斷路故障的檢查方法有：萬用表法； 檢驗燈法；三相電流平衡法； 電阻法等。采用檢驗燈法檢查時，將電池與一小燈泡串聯，兩根引線分別與某相繞組的首尾相連，如有并聯支路，卻應拆開并聯支路的連接線，使之互不接通。如果燈不亮，則表明繞組有斷路故障。測量方法如圖 1所示。

圖1 （a）繞組△型接法 (b)繞組Y型接法

1.4 電機絕緣故障

由于船舶運行環境的特殊性，電機的絕緣故障也時有發生。盡管世界各國對船用電機的制造都制定了特殊的要求和標準，長期以來船用電機的絕緣研究也受到電機界和造船業的高度重視。但船用電機絕緣失效問題依舊存在。其中，絕緣性能劣化，繞組的機械性能和耐電性能不足是電機絕緣失效的主要原因。一些船用電機在設計和制造中為了降低成本，偷工減料，加上制造工藝的缺陷，導致繞組絕緣性能下降。又由于船用電機工作在環境溫度高、濕度大、有油污的潮濕的海洋環境中，導致絕緣層壽命縮短。

電機絕緣問題應從電機繞組絕緣材料和工藝、電機結構、電機工作環境和日常維護幾個方面去分析和解決，設備要定期檢查保養，使船用電機的絕緣狀況良好，提高船用電機的安全性和可靠性，為船舶安全航行提供保障。

對于電機絕緣失效導致電機燒壞等故障發生的原因，可采用改進絕緣、加裝鹽霧過濾器和改進風道設計等措施以提高船舶電機可靠性[11]。為防止電機絕緣故障可適當增加B—F級通用無溶劑漆的浸漆次數來提高絕緣性能。

2 發電機故障

船舶發電機是整個船舶的核心，一旦發電機發生故障，不但影響船舶日常照明，而且影響船舶的航行安全和作業。一般船舶都配備有三臺發電機，根據船舶負荷的大小選擇單機或并網運行，盡管如此，船舶發電機故障也時有發生。

其中，發電機勵磁系統故障是較易發生的問題之一。文獻[6]和[7]分別對TFX-H型船舶發電機和HYUNDAI無刷同步發電機故障進行了分析，均為勵磁系統故障。文獻[6]對TFX—H型發電機在試驗階段出現的三種故障進行了分述，并闡述了對各種故障的排除過程。文獻[7]對無刷同步發電機勵磁系統的組成及故障排查作了詳細的分析。成功解決了某集裝箱輪所配HYUNDAI無刷同步發電機的并網故障的成因及排除過程。經驗告訴我們，如果發電機需要并聯運行，那么空載電壓應相等，且調壓調差系數盡可能相同。并且負荷分配要合理，包括有功負載及無功負載，否則易導致并網不成功。文獻[8]對船舶發電機系統常見故障作了較詳盡的闡述，并提出了相關的改進控制措施。

綜合上述船用電機各種故障類型及成因，為避免船用電機盡可能少發生故障，要注意以下幾點：（1）選擇額定數據和技術條件規定符合船舶特殊環境要求規格的電機。（2）應盡量避免同步電動機和三相異步電動機的頻繁起動。（3）由于環境變化對直流電動機影響較大，因此在使用直流電機時應保證良好的使用環境。(4)在船用電機的維修保養中，拆卸線路時一定要做好標記。

3 結束語

船用電機在長久的運行過程中出現故障是不可避免的，了解并熟悉船用各種電機的易發故障機理和消除、防范措施對船舶的安全航行有重要意義。上述船用電機故障情況，既有制造工藝、加工質量的原因，也有現場安裝、維護的原因，因此，在電機的日常運行、檢修和維護工作中，應加強電機的監測工作和檢修維護管理，確保船用電機的正常運行。

[1]易明樞, 梁啟雄. 船舶電機異常振動與噪聲的檢查及消除方法[J]. 武漢造船, 1996, (5).

[2]曾新紅. 三相異步電動機故障診斷[J]. 甘肅冶金,2005, (4)

[3]馬宏忠. 電機狀態監測與故障診斷[M].機械工業出版社, 2008, (3).

[4]顧景和. 用超聲波對船用電機轉子嵌條進行探傷的研究[J]. 海運科技, 1992,(3).

[5]喻茂華.船舶電機軸承故障檢驗方法[J]. 經濟技術協作信息, 2010, (28).

[6]楊世能, 張泰康. TFX-H型發電機故障排查及分析[J]. 廣東造船, 2011,(2).

[7]于風衛, 張守俊. 船舶發電機勵磁系統故障排除與分析[J]. 青島遠洋船員學院學報, 2009, (2).

[8]王紅亮, 馬占軍. 船舶發電系統故障分析及改進控制措施研究[J]. 科技信息.

[9]杜占峰, 左岐. 電流特征分析在異步電動機故障診斷中的應用[J]. 機電信息, 2010,(30).

[10]董濤, 程培源, 樊波等. 基于單相功率頻譜分析的感應電機故障診斷[J]. 大電機技術, 2011(2)： 20-22.

[11]張春杰等, 海上油田鉆井電機故障分析與對策[J].石油天然氣學, 2010, (5)： 380-382.

[12]許伯強等. 小波分析應用于籠型異步電動機轉子斷條在線檢測.