振動測試和電氣三項測試在船用旋轉電機故障診斷中的應用

馬仲翦

（92493部隊89分隊，遼寧 葫蘆島 125000）

1 船用旋轉電機故障的特點

旋轉電機是現代船舶設備的重要組成部分，是船舶電力、動力、通訊、傳輸等系統的重要組成部分。隨著船舶自動化、集成化程度不斷提高，旋轉電機設備在船舶上的數量越來越多，結構也越來越復雜，電機故障對船舶正常運轉的影響也越來越大。

由于船舶旋轉電機的運行環境具有溫度高、濕度高、振動大、電磁環境復雜等特點，因此故障發生頻率較高。及時準確檢測出電機的故障征兆，確定故障原因，排除隱患，對于保障船舶設備正常運轉具有重要意義[1]。

2 船用旋轉電機故障的故障診斷分類

旋轉電機作為船舶動力和電力系統重要組成部分，故障可分為機械故障和電氣故障兩大類，兩類故障并非孤立存在，而是相互聯系、相互影響。在監測診斷工作中，可以用振動監測對應機械故障診斷，電氣三相監測對應電氣故障診斷，兩者相互結合才能準確判斷故障類型，確定故障部位，為設備維修保養提供技術依據。

2.1 機械故障診斷

船用旋轉電機雖然大小、功率、安裝形式不同，但在振動測試中，都可以抽象為一個圓柱體，選擇電機的軸申端和非軸申端測點，各取x、y、z三向測點，用振動分析儀測試振動烈度，所測得的數據具有代表性，可以準確反映測試電機的振動狀況。對于振動烈度的判斷可以參照ISO2372和ISO3495作為標準，也可在同型號電機在相同狀態工況下的振動值作比較[2]，電機測試測點布置圖如圖1所示。

圖1 電機測試測點布置圖

2.2 電氣三相測試

船用旋轉電機雖然功率、轉速、大小、安裝方式各有差異，但在電氣三相監測方面，都將電機看成是一個包含電阻、電感、電容的復雜電路進行分析，從而診斷其狀態。使用電機故障狀態檢測儀，監測對象使該電機的控制箱，旋轉三相電機電路如圖2所示。

圖2 旋轉三相電機電路

電氣三項監測的的重點是電機的阻抗（Z），相角（Fi），倍頻（I/F），在 U、V、W 三相的出電端監測。

阻抗：在具有電阻、電感和電容的電路里。對電流阻礙作用的物理量稱為阻抗，Z=R+（iωL-1/ωC）.

倍頻：在交流旋轉電機測試中，發出電壓為U、頻率是ω的正弦波信號，得到反饋電流當頻率為2ω，反饋的電流幅值為倍頻 I/F=（I2-I）1/I1× 100%.

相角：在旋轉交流電機中，交流電壓U=U msin(ωt+ φ)，在不同時刻的電壓決定于(ωt+ φ)的數值，(ωt+ φ)就稱相角。當 t=0 時，φ 即為初相角[3]。

通過三個參數的平衡度及所在相位的位置判斷電機的故障情況及故障相位。阻抗值平衡偏差超過范圍，說明該電機存在繞組質量下降，如污染、受潮等情況，如阻抗值和相角值平衡偏差都超過范圍，說明該電機轉子存在故障隱患，如轉子籠型鐵條氣隙不均甚至斷條等情況，如阻抗值和倍頻值平衡偏差都超過范圍，說明該電機定子存在故障隱患，如匝間短路、相間短路等情況，判斷標準如表1所示。

表1 電機三相狀態監測

3 監測案例及故障分析

案例1：

對某船4臺規格功率相同的滑油泵，出海時在相同工況下進行進行振動監測，采集軸身端與非軸申端各三個測試點的振動數據如表2所示。

表2 滑油泵振動值

根據上述振動監測結果可以看出，該船2、3號滑油泵相較1、4號滑油泵，明顯存在振動過大的情況。為判斷其故障類型，進一步對四臺電機進行電氣三項測試如表3所示。

表3 滑油泵電氣三相值

通過對四臺電機的電氣三項測試發現，2號滑油泵的U-W相存在阻抗與相角不平衡現象，判斷該電機U-W相存在轉子籠型鐵條氣隙不均或斷條現象；3號電機V-W存在倍頻不平衡現象，判斷該電機存在定子匝間短路現象。根據檢查結果，對2號滑油泵電機拆檢，調整轉子U-W相存在氣隙不均的鐵條，更換斷裂的鐵條；對3號電機進行拆檢，檢查定子V-W相，對存在匝間短路的線圈進行更換。經過組裝調試磨合后，兩臺電機的振動烈度值下降，工作恢復正常。

案例2：

某船用消防泵在使用過程中，存在噪音周期性異常振動過大情況，通過振動測試檢查其振動烈度值如表4所示。

表4 船用消防泵振動值

根據振動標準，該電機振動烈度偏高，具有故障征兆，為確定其故障性質，進一步進行電氣三相測試，結果如表5所示。

表5 滑油泵電氣三相值

通過測試看以看出，該電機的三相平衡，均在正常范圍之內，因此故障類型屬于機械故障，通過拆檢電機，清理內部，檢查更換老舊零部件，添加潤滑脂，調制軸系保證對中，組裝調試磨合，電機振動烈度值下降，恢復正常。

5 結論

通過振動監測技術和電氣測試技術相結合，應用于船舶旋轉式電機的故障監測，能夠準確定性電機設備的故障類型，定位故障部位，及時排查故障隱患，使電機設備維修做到有的放矢，節省維修周期和成本。對于保障船舶設備的正常運行乃至整個船舶的航行，具有較強的實際意義。

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]王建華.電氣工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.[3]唐納德·本特利.旋轉機械振動技術[M].北京：機械工業出版社，2014.