電特性檢測在電機預防性檢修和故障診斷中的應用研究

李 霏，顧 含，董慶豐

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引 言

目前，因電機有著，原理成熟、結構可靠、維護簡便等優點[1]。在測量船上得到廣泛應用，它的性能和技術狀態直接影響了船舶整體保障和技戰術水平。

根據統計，電機故障中有近一半為電氣故障。在長久的電機使用和管理過程中發現，電機發生轉子或定子故障時，容易導致繞組過熱而被燒毀，甚至發生接地故障以及相間故障。

在當前電機電氣故障的判斷中，實際管理和可操作層面主要是對電流、電壓、絕緣情況進行判斷，預判性和精確定位性不佳。

本文將提出電機電特性檢測方法，采用模糊診斷規則，運用電機模型對電機故障精確判斷方法進行必要的優化。

1 電機故障概率情況分析

IEEE在《IEEE Std C493-2007(Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems)》《IEEE Std C37.96-2012(IEEE Guide forAC Motor Protection)》中，統計與分析了1 000余臺電機的技術狀態，其中故障部位和故障發生的概率如表1所示[2-3]。

表1 電機出現故障部位及概率

注：部分電機不止一處故障。

美國電力研究學會(EPRI)對于電機的報告中，電氣故障原因占47%，機械故障原因占53%。電氣故障主要為匝間、層間和相間短路絕緣問題、電機內部或外部接線盒線纜損壞，電機故障統計分布圖如圖1所示。

圖1 電機故障統計分布圖

測量船長期在遠海工作，其電機工作情況相對惡劣。

通過對近8年某測量船電機故障發生情況進行統計：全船電機發生各類故障84起，其中機械故障53起，電氣故障31起，如圖2所示。

圖2 某測量船2008年—2015年電機故障統計

因此，在測量船進入服役年限的中后期，預先發現故障隱患、預先進行保養檢修對于提升船舶安全性、延長裝備使用壽命顯得尤為重要。電特性檢測為解決電氣故障提供了有效途徑。

2 電機狀態檢測技術

“以可靠性為中心的維修模式(RCM)”的理念在20世紀末由歐美發達國家率先提出。該模式核心理念是裝備主動維修，核心目標是提升裝備可靠性[4]。檢測技術作為其中開展維修技術支撐的關鍵環節，逐漸演變成為應用研究方向。

預防性檢修的裝備管理和保障模式已經在測量船廣泛運用，但缺乏相應的技術支持，導致預防性檢修在實際運用中存在一定的盲目性，電機狀態檢測技術能夠提出相應支持。

按照電機檢測時所處的狀態不同，主要分為靜態和動態檢測，更詳細地劃分為：電氣動態檢測、電氣靜態檢測和機械動態檢測3大技術[5]。

電氣靜態檢測和動態電氣檢測均是對電機的電氣參數進行測量。機械動態檢測則是對電機進行機械部件的檢測，現在主要采用信號分析和處理方法進行，能夠從機械角度判斷電機的性能狀態。例如，利用譜峭度特征提取進行軸承故障檢測[6]等。

3 電機電特性綜合檢測

電機的電特性源于美國海軍電機檢測、監測實際應用過程中的習慣稱法，現在并沒有成體系的標準定義。本文將交流電機電氣靜態狀態下，繞組每兩相之間的電阻、電感、阻抗、相角、倍頻和絕緣情況等的電機技術數據組合統稱為電機靜態電特性。

3.1 電特性檢測與常規方法的比較

測量船常用的電機檢測方法主要通過電機繞組絕緣，繞組阻值、效率，運行電壓和電流是否平衡等進行技術狀態判斷。該類方法的缺點是無法判斷故障和隱患的嚴重程度，無法精確判定故障部位。

電機的電特性的檢測方法借助電特性參數分析、計算，針對常用方法中無法判定的阻值微弱變化，早期的相間、層間、匝間短路故障進行可靠判別，并能通過相應判據精確區分故障源自于電機定子或是轉子。相較其他方法，電特性檢測并不需要使用額外的數據傳感器[7]。

桑美(BJM)公司現已推出的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO2000等電機全參數檢測儀器與設備能夠對電特性檢測所需要的相關參數進行檢測。

3.2 電特性檢測原理

本研究根據電機原理和電特性檢測原理，對電機建立等效電氣原理電路，如圖3所示。

圖3 電機等效電路

在實際的檢測運用中，通過相關儀器與檢測設備將所需要的電機電特性參數檢出，并通過進一步計算，獲取電阻、電感、阻抗、相角、倍頻等參數。其中，阻抗和倍頻兩個參數是電特性檢測中的關鍵參量[8]。

對電機等效電路進行分析，在對電機輸入一個高頻電流時，其電感對于電路的影響遠大于電阻，此時可以電路近似為一個純電感電路。而在電機發生短路故障時，在這里以匝間短路為例進行分析，此時電機繞組不再表現為感性電路，失去電感作用，電阻對于電路的影響就遠大于電感，在模型中即表現為一個阻值較大的電阻電路。按照等效電路進行計算，其表現為純電感和純電容時，電路當中的電流分別為純電阻狀態的1/2和2倍[9-10]。

因此，根據電機原理電路，匝間故障將導致其電路狀態發生改變，即根據故障嚴重程度，等效電路將向純電阻電路逐漸過度變化，而其倍頻值則表現為由-50%逐漸衰減至0的過程。因此，可根據倍頻變化判斷電機繞組質量。

阻抗平衡測試相較電機檢測中常用的三相電壓平衡測試、三相電流平衡測試更為準確和精確。

3.3 電特性檢測的評判

3.3.1 電靜態三相平衡的評判

IEEE對于電機性能狀態的評判標準。該標準是根據國際電氣組織近20年來的測量情況所得如表2所示。

表2 IEEE電機三相平衡標準

表中的數據為電機靜態特性中，三相電中每兩相所測數據的偏移值比對。電感和阻抗的判斷標準為其波動值所占其均值的百分比，而倍頻、相角檢測則為三相中任取兩相測量值之差的最大數值。

其中，偏移量為對三相平均值的偏移量最大值。倍頻為定義的測試量，即電流在頻率加倍后的變化量。當頻率加倍后，電路為純電感電路時，電流變為原來1/2；純電阻電路時，電流不變；純電容電路時，電流增加一倍。因此，電機出現匝間短路的發展趨勢即是I/F值從-50%向0%的發展趨勢。

3.3.2 潘羅斯判據

潘羅斯判據是由美國現任德雷思科勒電機公司副總裁霍華德·W·潘羅斯博士提出的。該方法得到了國際電機組織的認可[11]。

潘羅斯判據適用于所有三相電機。在電特性檢測中，采用潘羅斯判據作為評判準則進行建模，利用模糊診斷方法對電機故障進行仿真。

3.3.3 評判準則的模糊診斷優化和仿真

綜合三相平衡和潘羅斯的評判方法，已能夠對電機三相平衡和三相不平衡來源進行判別，并根據表2能夠對電機健康狀態進行初步判別，但仍無法精確判斷電機繞組故障程度。現要通過Simulink軟件的fuzzy工具和Matlab軟件建立電機模型，進行對應的仿真計算和分析，并用模糊診斷的方法對評判準則進行優化。

本研究根據電機模型和電路理論，參照模糊診斷的假設條件[12]，建立相軸模型方程，電機繞組運行情況表示為：

(1)

(2)

式中：下標1—定子繞組；下標2—轉子繞組；ψ—磁通；R—電阻；M—電感；I—電流；U—電壓；K—常數矩陣；s—為轉差率；ωN—額定角速度；F—定子繞組的對稱系數矩陣；F—繞組短路的嚴重程度用矩陣函數，F=diag(fa,fb,fc)。

其中，fi(i=a,b,c)=(總匝數—故障匝數)/總匝數。繞組在正常情況下，保持三相對稱，即fa=fb=fc=1；而當繞組的某相發生短路故障時，則三相平衡被破壞，即fa=fb=fc<1。

ψ2=diag(ψ2a,ψ2b,ψ2c)

(3)

P1=diag(r1,r2,r3)

(4)

R2=diag(r2,r2,r2)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在fuzzy工具的診斷器中，輸入定子繞組三相電流ia、ib、ic的標幺值Ia、Ib、Ic，三相電流的方差V，輸出為電機的定子狀態SC。將電機繞組的4個電特性參數電感、阻抗、倍頻和相角分別對應模糊集：VS，S，M，L，將繞組的匝間、層間、相間狀態分別對應3個模糊集：N，D，SD。

Simulink仿真模型圖如圖4所示。

圖4 Simulink仿真模型故障環設定

在模型中，代入電機基本輸入參數，如表3所示。

表3 模擬電機輸入參數

Simulink的仿真結果經過Matlab軟件輸出電機繞組模擬狀態后，得到電機繞組狀態的仿真結果，如圖5所示。

圖5 電機仿真圖

圖5中，倍頻、相角和繞組電流分別對應x，y，z軸。圖中能夠表示繞組電流狀態，其中波谷為電機氣隙部分，波峰為繞組位置，淺色為其在正常溫度范圍運行，深色為繞組出現過電流的狀況，可以判斷為存在短路。圖5(a-c)，分別對應與I/F>2且Fi>2°，Fi>1且I/F平衡、Fi平衡且I/F>2時的繞組狀態，3個波峰對應電機繞組線圈的匝間、層間和相間狀態。

根據圖5(a)，繞組在倍頻差大于2，相角差大于2°的波峰出產生過電流，說明存在同相、同繞組的匝間短路；圖5(b)在相角大于1°的區域的兩個波峰出現了過電流，說明繞組存在層間短路；圖5(c)中倍頻差大于2的區域內，3個波峰出現過電流，說明繞組存在層間短路。

因此，基于Simulink軟件的電機繞組模型能夠很好地反映繞組故障中的短路情況，能夠精準判別相間、匝間和層間短路3種狀態。

4 實驗及結果分析

由于其可在線進行檢測的便利性，電特性檢測能夠作為一項電機的日常檢測項目結合電機預防性保養等進行實施。采樣數據可通過桑美公司的檢測儀器檢出，在電機配電或接線位置選擇三相線即可進行檢測。

4.1 海水冷卻泵電特性檢測實例

某測量船輔機海水冷卻系統某臺海水冷卻泵電機，銘牌標注性能指標為額定電壓380 V，額定功率45 kW，額定轉速2 960 r/min。

在2008年裝船后使用8年，分別在2015年2月和2016年3月對其進行2次的電特性采樣，2次數據如表(4，5)所示。

表4 2015年電特性數據采樣

表5 2016年電特性數據采樣

根據2015年的數據采樣結果分析，該電機各項參數正常，而在正常使用中也未表現出故障征兆，性能良好。

而在2016年后，該電機的帶負載性能下降，運行電流顯著增大，遂再次進行電特性采樣。通過評判準則，其三相繞組狀態存在不均衡的現象，電機的電感與阻抗為非比例線性關系，推斷其三相繞組不平衡是由于電機定子問題導致。再根據評判準則的優化結論，相角差和倍頻差數值均大于2，判斷其繞組存在匝間短路。之后對該電機進行拆檢，發現實際情況與推斷一致。后調取該電機的運行登記簿，發現其使用頻率高、強度大，而預防性保養的次數較少，導致其在正常運行8年時間后，在短短1年時間內即出現了故障急速惡化的情況。

4.2 海水增壓泵檢測實例

某測量船板式蒸餾造水機的海水增壓泵電機，銘牌標注性能指標為額定電壓380 V，功率13.5 kW，轉速2 970 r/min。該電機在使用3年時間后，運轉中常伴隨有異常噪聲，且振動劇烈。

觀察其運轉時電流情況，在負載穩定的情況下，存在電流較大的波動，故對其進行電特性采樣，采樣數據如表6所示。

表6 2014年電特性數據采樣

其中，UV，UW，VW分別為三相電機U、V、W三相的相間參數。

根據數據判斷，該電機電感和阻抗偏移值均達到了35%，存在較為嚴重的三相不平衡情況；而其電感和阻抗并非等比例線性關系，根據其實際運行情況，推斷其轉子繞組存在故障。在之后進行的拆檢中，其轉子斷條。電特性檢測的實際效果得到驗證。

5 結束語

針對目前采用常用方法無法對阻值變化微弱的早期相間、層間、匝間短路故障進行可靠判別的問題，本研究采用了潘羅斯判據，運用了模糊診斷的方法精確地區分了源自于電機定子還是轉子的故障，并判別相間、匝間和層間短路3種狀態，借助2個實驗對該方法的可行性進行了驗證。

實驗結果表明：采用該方法與電機動態性能檢測相配合，能夠更為全面地反映電機電氣狀態，這對于電機性能的綜合評估和故障判斷具有廣泛的應用價值。

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