基于MCA理論的電機(jī)故障檢測方式試驗(yàn)研究

蘇高輝,古成中,羅日榮,倪 圓

(91663部隊(duì),山東 青島 266000)

“21世紀(jì)新一代水面艦船將采用綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)”已成為各國艦艇裝備發(fā)展的熱門話題。[1]美國及其他國家的海軍對綜合電力推進(jìn)非常感興趣。[2]綜合電力系統(tǒng)的推進(jìn)器由電機(jī)直接帶動(dòng)，是動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，一旦出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致艦艇失去機(jī)動(dòng)性，喪失戰(zhàn)斗力。因此，必須對大型電機(jī)的技術(shù)狀態(tài)開展監(jiān)測工作。另外，在現(xiàn)代艦船上，輔助系統(tǒng)如消防系統(tǒng)的消防泵、艦船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的操舵裝置、燃油滑油的注入轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等也都是靠電機(jī)帶動(dòng)，這些電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對于保障艦艇的操作性、居住性、生命力，提高艦艇的總體作戰(zhàn)能力具有重要作用。對艦船動(dòng)力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，掌握其健康程度，分析潛在的故障隱患及發(fā)展趨勢，進(jìn)行健康管理，對于保障其可靠運(yùn)行，提高艦艇戰(zhàn)斗力具有十分重要的意義。

ALL-TEST公司生產(chǎn)的ALL-TEST PRO系列電機(jī)故障檢測儀基于電機(jī)電路分析(Motor Circuit Analysis，MCA)方法對電機(jī)繞組進(jìn)行電氣性能測試，能夠?qū)﹄姍C(jī)定子繞組匝間短路、相間短路、層間短路等絕緣劣化做出早期預(yù)警，還可以檢測轉(zhuǎn)子缺陷、氣隙不均等電機(jī)缺陷，對電機(jī)電氣故障敏感，體積重量小，攜帶操作方便，是目前常用的電氣監(jiān)測儀器[3]。但是，電機(jī)檢測出一般性早期故障隱患，如果不出現(xiàn)大的電壓沖擊或誤操作還能運(yùn)行相當(dāng)長一段時(shí)間[4]。繞組絕緣劣化類故障即使拆解也不易從外觀看出，所以對電機(jī)故障檢測儀的檢出隱患不便于驗(yàn)證。另一方面，電機(jī)故障檢測儀測試方式不同會得出不同的測試結(jié)果，可能導(dǎo)致故障原因的誤判。針對此問題，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了電機(jī)的三類故障模式，采用電機(jī)故障檢測儀進(jìn)行了測試驗(yàn)證。研究了不同測試方式對測試結(jié)果影響，探討了使用電機(jī)故障檢測儀開展電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷的工作流程。

1 電機(jī)電路分析(MCA)測試原理

MCA方法將三相感應(yīng)電機(jī)的每一相繞組視為一個(gè)包含有電感、電容和電阻的等效電路，如圖1所示。左側(cè)部分為定子繞組的等效電路，右側(cè)部分為轉(zhuǎn)子通過變壓器原理變換得到的等效靜止轉(zhuǎn)子電路[5]。

圖1 感應(yīng)電機(jī)單相繞組的等效電路圖

MCA為每一相繞組輸入一個(gè)高頻的低壓交流信號，根據(jù)施加的電壓和流過繞組的電流計(jì)算出每相繞組的阻抗Z、電感L、直流電阻R、電流滯后電壓的相角P和倍頻值I/F(改變電壓頻率前后的電流相對變化情況)。正常電機(jī)的三相繞組對稱平衡，測得的三組上述參數(shù)也相同。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)電氣異常時(shí)，會導(dǎo)致某相(或多相)繞組參數(shù)變化，測得的參數(shù)也不再平衡，MCA技術(shù)根據(jù)上述參數(shù)的不平衡程度和類型判斷電機(jī)的健康程度和故障類型[6]。

2 電機(jī)故障檢測儀測試方法

三相感應(yīng)電機(jī)通常有兩種接線方式，星形和三角形。圖2是電機(jī)端子接線解開時(shí)的示意圖，圖3是電機(jī)繞組星形接線時(shí)的接線示意圖，圖4是電機(jī)繞三角形接線時(shí)的接線示意圖。各圖中圖(a)是接線盒端子接線示意圖，圖(b)是電機(jī)內(nèi)部繞組接線示意圖。根據(jù)電機(jī)接線方式及等效電路測試原理，可以推知有四種測試接線方式，如表1所示，對比每種測試方式測得三組數(shù)據(jù)可判斷電機(jī)繞組健康狀態(tài)。

(a)接線盒端子 (b)電機(jī)內(nèi)部繞組接線示意圖圖2 電機(jī)繞組端子解開示意圖

(a)接線盒連接方式 (b)電機(jī)內(nèi)部繞組接線示意圖圖3 電機(jī)繞組星形接線示意圖

(a)接線盒連接方式 (b)電機(jī)內(nèi)部繞組接線示意圖圖4 電機(jī)繞三角形接線示意圖

測試方式電機(jī)接線方式第一次測試連線第二次測試連線第三次測試連線Ⅰ斷開繞組U1-U2V1-V2W1-W2Ⅱ星型U1-V1U1-W1W1-V1Ⅲ星型U1-中性點(diǎn)V1-中性點(diǎn)W1-中性點(diǎn)Ⅳ三角形U1-U2V1-V2W1-W2

Ⅰ型測試方式將三相繞組相間接線以及電源連線全部斷開，需要在電機(jī)接線盒處測試，測試結(jié)果是每一相繞組的電氣參數(shù)。Ⅱ型測試方式為電機(jī)星形接法時(shí)在控制箱處常用測試方式。Ⅲ型測試方式為電機(jī)星形接法時(shí)的一種測試方式，需要在電機(jī)接線盒處測試。Ⅳ測試方式為電機(jī)三角形接法時(shí)在控制箱處常用的測試方式。

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了分析電機(jī)故障檢測儀的實(shí)際應(yīng)用效果和不同測試方式的影響，實(shí)驗(yàn)測試了兩臺三相鼠籠式異步感應(yīng)電機(jī)。一臺型號為Y100L2-4，人工制造了線圈間短路和相間短路兩種故障模式，同時(shí)還測試了該電機(jī)健康狀態(tài)下的繞組參數(shù)。另一臺電機(jī)型號為Y90S-2，人工制造了匝間短路故障模式。為了便于分析測試結(jié)果，兩臺電機(jī)均抽出轉(zhuǎn)子，只測試定子繞組，排除了轉(zhuǎn)子影響。

3.1 健康狀態(tài)

采用4種方式測試了Y100L2-4電機(jī)不存在故障時(shí)的定子繞組，測試數(shù)據(jù)見表2。由數(shù)據(jù)可以看出，對于健康電機(jī)，不同測試方式的三相參數(shù)均是平衡的。三相倍頻值均為-49%，接近純感性電路的-50%，說明電路不存在短路劣化。

表2 健康狀態(tài)電機(jī)定子繞組測試數(shù)據(jù)

測試方式Ⅱ的電阻值是測試方式Ⅰ電阻值的2倍，測試方式Ⅱ的阻抗是測試方式Ⅰ阻抗的2倍多。這是因?yàn)闇y試方式Ⅱ的測試電路為兩單相繞組的串聯(lián)電路。如圖3(b)，當(dāng)兩個(gè)測試端子分別連接U1和V1，實(shí)際測試的是U繞組和V繞組的串聯(lián)電路。

測試方式Ⅲ和測試方式Ⅰ測試結(jié)果相同，說明不存在相間短路。

測試方式Ⅳ的測試電阻值和阻抗值都比測試方式Ⅰ的測試電阻值和阻抗值的小。這是因?yàn)闇y試方式Ⅳ的測試電路為兩相繞組串聯(lián)后再和另一相繞組并聯(lián)的電路。如圖4(b)，當(dāng)兩個(gè)測試端子分別連接U1和U2時(shí)，實(shí)際上測試的是V繞組和W繞組串聯(lián)后再和U繞組并聯(lián)的電路。

3.2 匝間短路

實(shí)驗(yàn)設(shè)置Y90S-2電機(jī)U繞組線圈內(nèi)發(fā)生了10匝導(dǎo)線匝間短路的故障模式，見圖5。采用4種方式測試了此時(shí)定子繞組的電氣參數(shù)，測試數(shù)據(jù)見表3。

由測試方式Ⅰ的數(shù)據(jù)可以看出，三相繞組直流電阻不平衡度為0.91%，U相電阻偏離平均值僅為0.03 Ω，這說明采用測直流電阻法來判斷繞組匝間短路故障是比較困難的。另外可以看出，三相阻抗不平衡度為11.69%，U相阻抗偏離平均值為9.67 Ω；三相電感不平衡度為12.50%，U相電感偏離平均值為2 mH；U相角偏離平衡值為6.33°；U相倍頻偏離平衡值為4。V和W兩相測試數(shù)據(jù)平衡，U相數(shù)據(jù)偏離，通過對比三相繞組數(shù)據(jù)可以快速定位故障在U相。U相相角和倍頻值都下降超標(biāo)，可以據(jù)此判定U相出現(xiàn)了絕緣劣化，這與實(shí)際故障吻合，說明了電機(jī)故障檢測儀檢測結(jié)果的可靠性。

測試方式Ⅱ的阻抗、相角、電感和倍頻值的測試結(jié)果也都呈現(xiàn)出了不平衡特性，三次測試阻抗不平衡度為7.65%，電感不平衡度為6.03%，相角最大偏離值為3°，倍頻偏離平衡值為2。可見，這些參數(shù)的不平衡度都要遠(yuǎn)小于測試方式Ⅰ的不平衡度。相對于測試方式Ⅰ，測試方式Ⅱ?qū)收系拿舾卸鹊诘?。另外，每次測試實(shí)際測試的為兩相繞組，并不便于定位故障發(fā)生的繞組。

測試方式Ⅲ的結(jié)果與測試方式Ⅰ的結(jié)果相同，這是因?yàn)楣收蟽H發(fā)生在U相繞組內(nèi)部，并未發(fā)生相間短路。

測試方式Ⅳ的阻抗、相角、電感和倍頻值的測試結(jié)果也都呈現(xiàn)出了不平衡特性，三次測試阻抗不平衡度為6.15%，電感不平衡度為5.26%，相角最大偏離值為4°，倍頻偏離平衡值為2.33。這些參數(shù)的不平衡度同樣都要小于測試方式Ⅰ的不平衡度。

表3 匝間短路故障電機(jī)定子繞組測試數(shù)據(jù)

圖5 電機(jī)定子繞組匝間短路

3.3 線圈間短路

實(shí)驗(yàn)設(shè)置Y100L2-4電機(jī)U相繞組的兩個(gè)線圈之間發(fā)了1匝導(dǎo)線短路故障，見圖6。采用4種測試方式測試了此時(shí)定子繞組的電氣參數(shù)，測試數(shù)據(jù)見表4。由測試方式Ⅰ的數(shù)據(jù)可知，U相阻抗、相角、電感參數(shù)下降明顯，可揭示出U相繞組發(fā)生了絕緣劣化，與實(shí)際故障相符。該測試表明，即使只有1匝導(dǎo)線發(fā)生了短路，阻抗和相角的變化就很明顯，說明MCA技術(shù)檢測定子繞組線圈短路故障的靈敏度很高。

圖6 Y100L2-4電機(jī)定子繞組線圈間短路

測試方式電阻/Ω阻抗/Ω相角/°電感/(mH)倍頻/%R1R2R3Z1Z2Z3P1P2P3L1L2L3I/F1I/F2I/F3Ⅰ1.591.761.773650497781817109-48-49-49Ⅱ3.343.343.5110097119838385201923-49-49-49Ⅲ1.581.761.773650497882817109-48-49-49Ⅳ1.111.151.16313937778080677-49-49-49

3.4 相間短路

實(shí)驗(yàn)設(shè)置Y100L2-4電機(jī)U相和V相之間發(fā)了1匝導(dǎo)線短路的相間故障，見圖7。采用4種方式測試了此時(shí)定子繞組的電氣參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表5。由測試數(shù)據(jù)可知，測試方式Ⅰ的三相數(shù)據(jù)是平衡的，表現(xiàn)不出故障。這是因?yàn)樵谌嗬@組端子之間斷開連接時(shí)，即使兩相之間出現(xiàn)了短路，對一相繞組的測試也不會受其短路相的影響。而測試方式Ⅱ、測試方式Ⅲ和測試方式Ⅳ均出現(xiàn)了不同程度的不平衡。特別是測試方式Ⅲ的結(jié)果不再與測試方式Ⅰ的結(jié)果一致。這是因?yàn)楫?dāng)U-V發(fā)生相間短路時(shí)，測試U1-中性點(diǎn)之間的等效電路，其測試對象不僅包含U相繞組還要包含部分V相繞組。因此，當(dāng)在控制箱測試結(jié)果不平衡，而在接線盒處采用測試方式Ⅰ測試結(jié)果平衡時(shí)，可以懷疑存在電機(jī)相間短路。

表5 相間短路故障電機(jī)定子繞組測試數(shù)據(jù)

圖7 Y100L2-4電機(jī)定子繞組相間短路

4 結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了電機(jī)故障檢測儀的測試效果和測量方式對測試結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論。

基于MCA技術(shù)的電機(jī)故障檢測儀可以有效地檢測出電機(jī)定子繞組的絕緣劣化故障，對繞組早期故障敏感，檢測結(jié)果可靠。對于非相間短路故障，常用的控制箱處測試方式對繞組故障的敏感程度和故障定位準(zhǔn)確性要低于電機(jī)接線盒處的測試方式。

但是，前者操作方便，后者操作相對繁瑣。在開展艦船電機(jī)監(jiān)測工作時(shí)，要在短時(shí)間內(nèi)測試數(shù)十臺電機(jī)，若都采用接線盒處測量，難度較大。因此，建議首先采用控制箱處測量方式進(jìn)行大量電機(jī)普測，發(fā)現(xiàn)某臺電機(jī)較大參數(shù)不平衡時(shí)，再用接線盒處測量方式進(jìn)行故障繞組定位及故障原因分析。