電氣信號分析（ESA）技術在核電廠電動機故障診斷中的應用

摘要：ESA技術通過采集電動機的電壓和電流參數，對采集的數據進行分析來判斷電動機的運行狀況，并進行故障診斷，以此來確定檢修方案，從而減少了不必要的檢修，提高檢修效率，節約成本。

關鍵詞：電動機；ESA技術；電氣信號分析技術；故障診斷；頻譜分析 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP278 文章編號：1009-2374（2015）23-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.027

1 概述

根據國內核電站運行狀況，主要通過對運行設備進行周期性的檢修再根據實際情況進行適當的糾正性維修，使得設備的運行條件得以保持和改善。檢修主要分兩種情況：一種是每個換料周期對需要檢修的設備進行檢查維護工作；另一種是3～6個換料周期對需要檢修設備進行解體大修。這樣周期性的檢修一定程度上避免了缺陷設備的帶病運行，但是對于有些初始運行狀態良好的設備，經過帶有一定盲目性的檢修后，反而破壞了原有的良好狀態，造成大量人力、物力的浪費。根據有關資料記載，對設備進行有效的監測和診斷，可使設備維修費減少25%～50%，設備事故率減少75%，經濟效益十分顯著。

2 電氣信號分析（ESA）技術原理

2.1 ESA技術原理介紹

ESA的概念是，在電機正常工作情況下，應用數據采集器，采集電機的電流和電壓信號，分析軟件對采集的信號進行信號調理并分析調理的信號，從而識別各種故障。電機三相電壓和電流信號的采集可以直接從一次回路或通過CT在電機控制的二次回路獲得，可在控制中心測試，直接用電流鉗或電壓鉗采集，通過采集的電流和電壓信號對電動機的整體運行情況進行分析。

對于理想的電機，理論上電機的電流信號是一個純50Hz的正弦波，在分析頻譜上只有一個峰值存在，當電機發生故障時，如轉子條斷裂或有高阻連接等，諧波磁通在定子線圈上產生感應電流，這些感應電流疊加到50Hz的正弦波上，從頻譜圖上看會導致在50Hz峰值附近的極通過邊帶波峰的幅值增加。通過解調技術，邊帶可從電源峰值中分離出來，而且清晰可見，不受其他頻率的干擾。幅值波峰越高問題越嚴重。采集的電流和電壓信號，利用快速傅立葉變換，采用計算機分析軟件，可得到各種信號頻率的分布。以下是電氣信號分析技術的基本規則：（1）峰值出現在電流譜而非電壓譜，表示電機機械故障；（2）峰值同時出現在電流譜和電壓譜，表示電機電氣故障；（3）供電頻率（線頻）的準差率、邊頻，表示轉子狀態；（4）對于軸承故障，峰值僅出現在電流譜，且存在線頻的非整數倍與轉頻非整數倍的頻率。下表1為不同故障對應的特征頻率關系。

2.2 ESA技術優勢

傳統電動機監測手段主要是通過單獨測量電機的溫度、振動、電流、電壓值，聽電機的運行聲音，現在還出現用超聲波檢測儀器來測量電機的在線運行狀態并進行判斷，這些測量手段主要是針對電動機某個點進行判斷，方法單一，對技術人員要求比較高，數據分析繁瑣，且每次測量需要攜帶比較多的設備。而ESA監測技術，很大程度上避免了以上的缺點，表2為傳統監測技術和ESA技術對比表。

通過對比可知，ESA技術實現了眾多設備的大多功能，而從現場檢測技術來說，ESA在線檢測的功能已經能滿足設備檢測需求。

3 ESA技術在電動機故障特征識別中的應用

3.1 電機總體運行情況

電機在運行過程當中，往往會有各種干擾而導致電機運行條件變差，如電源電壓不平衡、三相電流不平衡、電流和電壓諧波分量比例過大等，而電流不平衡和諧波分量情況往往反映了電機本身存在的問題，如匝間短路等問題。而通過檢測這些數據可以判斷電機的整體運行狀態是否健康。

3.2 轉子故障診斷分析

在冷卻效果較差時，起動電流產生的熱應力和機械應力較大，當在重載和頻繁啟動情況下，籠條與端環焊接處是經常發生開焊和斷裂的部位。正常情況下，在電動機運行電流特征中，電動機極通過頻率PPF（滑差×極數）表現為工頻的邊帶，在FL±PPF處可看到峰值。工頻峰值和極通過頻率邊帶峰值的幅值差是轉子條健康的狀態指標。相關研究表明這個差大于60dB指示。圖1顯示是頻率為50Hz電動機轉子有頻譜狀況，變頻邊帶峰值大于60db，運行狀態良好。通過監測轉子的頻譜變化來判斷轉子運行狀態。

3.3 軸承診斷

對于軸承故障，因軸承支撐轉子，軸承故障將引起氣隙長度的變化，如對滾動軸承來說，氣隙在半徑方向發生變化，其結果可看作沿兩個方向運行的旋轉偏心。軸承故障可通過定子電流特征頻率反映出來，電流特征頻率與電源頻率和振動頻率有關，振動頻率特征又與軸承結構有關，可通過相關參數計算出來，從而找到振動和電流頻譜之間的關系。軸承故障主要由于負載過重、潤滑不良、加工裝配質量不佳、軸電流、異物進入等原因，引起軸承磨損、腐蝕、碎裂、銹蝕等現象。軸承出現故障后將會引起電動機異常振動。

每種軸承運行中都會使得電流產生一組獨特的特征頻率，當軸承內部有缺陷時，特征頻率會發生畸變，可以通過好的軸承運行頻率的對比來識別軸承問題，并可對軸承劣化趨勢進行分析。在電流頻譜中這些故障頻率峰值的存在指示軸承故障，劣化的程度根據這些峰值的幅值大小進行評估。如圖2，以下是監測到某電機軸承（內圈、外圈、保持架）的運行頻率，可定期通過監運行頻率的變化來判斷軸承的運行狀態。

4 ESA技術在核電廠的運用前景

4.1 加強電動機及系統運行的可靠性

ESA技術致力于分析電動機運行狀態，對電動機運行狀況進行一個整體的評價，并通過建立電動機運行狀態數據庫，形成電動機的運行趨勢分析圖，而據此判斷故障電動機還能運行多久、是否馬上需要進行檢修、需要提前準備哪些備件，最大化地保證了系統運行的可靠性，減少了一些盲目性檢修帶來的設備損壞的風險。

4.2 節約人工及電動機檢修成本

通過ESA技術分析結果，判斷電動機的運行狀態，對一些運行狀態良好的電機，可以取消相應的檢修活動，延長檢修周期。運用ESA技術可以在正常班組人員的配置上進行定期監測即可，無需額外增加人員需求。另外，每次對電機進行檢修都要消耗一定耗材，如密封圈、潤滑油、軸承、清洗劑、電氣擦拭紙等，而這些費用的支出基本和人工費用支出相當。

5 結語

ESA技術是一種相對綜合的診斷技術，它通過在線采集的電流、電壓信號，診斷出電動機在定子、轉子及機械方面等存在的問題。該方法使用簡單，對技術人員無特殊要求，且無需更多的人力物力投入，就可以得到明顯的效果。此技術在美國、德國等發達國家的使用已經相當普及，如果能在核電廠有效的推廣和使用，定能更好地維護設備，提高設備和系統運行的穩定性和可靠性，還能減少一定的財力投入。

參考文獻

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作者簡介：王仲恒（1986-），男，浙江三門人，三門核電有限公司工程師，研究方向：電氣設備狀態檢修的運用。

（責任編輯：陳 倩）