基于振動和電流頻譜特征的電機轉子斷條診斷研究

李鵬，王彬

（華電電力科學研究院有限公司，杭州 浙江 310030）

電動機故障主要有定子、轉子及負載故障，在轉子故障中轉子籠條斷裂故障出現頻率最高，是影響電動機使用壽命的主要原因之一。如果能夠在電動機轉子斷條故障早期發現和診斷，及時排除隱患，可大幅降低由轉子斷條引起的電動機故障給企業生產所造成的影響。早在20 世紀70 年代，美國對核反應堆內部的電動機進行的狀態監測和相關研究表明，電動機電流會受電機內部的故障情況所影響，因此，研究開發出了相關的電流信號調理技術，運用此項技術對電流信號進行處理、分析，從而為確定電動機故障問題提供支撐。

循環水系統的功能是將冷卻水（海水）送至高低壓凝氣器去冷卻汽輪機低壓缸排汽，以維持高低壓凝氣器的真空，使汽水循環得以繼續。循環水的供應情況直接影響機組的安全穩定運行，目前火力發電廠中因循環水泵故障引起的機組非停事件時有發生，因此，循環水泵的安全運行極為重要。

本文詳細闡述了一起基于振動頻譜和電流頻譜分析技術的循環水泵電機轉子籠條故障檢測及分析診斷過程，進一步總結了電機轉子籠條斷裂故障的一般分析方法，對異步鼠籠式電機籠條斷裂故障的分析診斷具有參考和指導意義。

1 故障發現與初步診斷

某電廠發電機組采用兩臺長沙水泵廠生產的立式軸流式循環水泵，電機為湘潭電機集團有限公司生產的型號為YKSL3800-16 立式電機，極數16，額定功率3800kW，額定電壓6000V，額定電流466.2A，額定轉速370rpm。

該電廠A 循環水泵在運行過程中電機驅動端附近（電機東側面中下部）存在較大振動，2018 年7 月16 日振動值高達93mm/s，振動嚴重超標。

檢修人員對該泵進行了排查，對東側面冷卻器螺栓進行緊固后，未發現其他明顯問題，7 月18 日，測試振動值仍有38mm/s，振動仍嚴重超標。

2 精密診斷分析方法及過程

2.1 異步鼠籠式電機轉子籠條故障機理

理論上，理想情況下異步電機定子電流頻率是單一成分的電源頻率fL，當轉子電流回路出現故障時，在定子的電流頻譜圖上，與電源頻率相差二倍轉差頻率(±2sf)處將各出現一個邊帶。

電機電源頻率表達式如下：

式中，n 為電機同步轉速，p 為電機極對數。

極通過頻率可以進行如下計算：

式中，n0為電機實際轉速。

2.2 基于振動頻譜特征分析的電機轉子斷條故障診斷分析

某次測試A 循環水泵電機振動時，發現該電機驅動端頻譜低頻段3X、4X 周邊出現0.91Hz 邊帶，且峰值不低。測試電流時電機轉速為371.6rpm。該電機為16 極，同步轉速計算為375rpm，經過計算極通過頻率=（375-371.6）×16÷60=0.91Hz，與電流頻譜邊帶頻率重合，因此判斷該0.91Hz 邊帶是極通過頻率邊帶。循環水泵電機驅動端頻譜見圖1。

圖1 循環水泵電機驅動端頻譜

在A 循環水泵電機驅動端解調頻譜圖中，發現100Hz 峰值非常明顯，表明轉子可能存在偏心或內部磁場不均勻，見圖2。

2.3 基于電流頻譜特征分析的電機轉子斷條故障診斷分析

在電機電流頻譜中，電機極通過頻率表現為工頻的邊帶。在頻譜中，電源頻率和極通過頻率處均會出現峰值。工頻峰值與極通過頻率邊帶峰值的幅值之差(即dB-Down 值)是轉子籠條健康的狀態評價指標，評判標準見表1 所示。

圖2 循環水泵電機驅動端解調頻譜

表1 電動機電流分析嚴重等級和推薦行動表

為準確判斷該分量是否是電機內部故障導致，于次日進行了該電機定子單相二次電流檢測，在電流譜圖中可見明顯電源頻率50Hz 有邊帶，邊帶為0.93Hz。該電機為16 極，同步轉速計算為375rpm，測試電流時電機轉速為371.5rpm，經過計算極通過頻率=（375-371.5）×16÷60=0.93Hz，與電流頻譜邊帶頻率重合，判斷電機存在極通過頻率邊帶，計算dB-down 值=112-76.7=35.3dBV，比對異步電動機轉子斷條等級判定表，在36-42dBV 范圍內，為等級6，結合電機驅動端及自由端解調譜中100Hz 峰值非常明顯，表明轉子存在嚴重的轉子斷條故障。

圖3 循環水泵電機定子單相二次電流局部放大譜圖

2.4 綜合診斷結論

通過振動頻譜和電流頻譜特征，并結合現場情況綜合分析，最終判斷A 循環水泵電機已經出現嚴重的轉子斷條故障問題，建議盡快安排設備返廠檢修。因機組在迎峰度夏高峰期內，機組負荷高，循環水量需求大，不能滿足停運條件，應縮短檢測周期，加強跟蹤趨勢，返廠檢修前，盡量減少啟動次數和運行時間，故障劣化時應及時停運。

3 設備問題處理

3.1 解體檢修驗證

2018 年9 月21 日該機組調停，利用機組停運時機，及時對A 循環水泵進行檢修處理，9 月23 日拆卸電機后返廠解體，發現A 循泵電機轉子籠條兩端均斷裂有23 條，單側斷裂及單側斷裂另一側有裂紋共34 條，總計57 條，如圖4。

其中發現電機轉子表面出現多處放電現象，籠條表面電腐蝕情況嚴重，判斷該電機所有轉子籠條均存在明顯的劣化，決定對該電機轉子所有轉子籠條進行整體更換。拆卸下所有籠條發現大部分籠條出現發電污痕，局部出現電腐蝕情況，如圖5。驗證了基于振動和電流頻譜的判斷。

圖4 循環水泵電機轉子籠條圖

圖5 循環水泵電機籠條電腐蝕情況

3.2 修后情況跟蹤

復測檢修后的A 循環水泵電機單相二次電流，發現電流頻譜正常，dB-down 值為112.2-48=64.2dBV，比對異步電動機轉子斷條等級判定表，＞60dBV 為等級1，狀態優良。現設備運行正常，見圖6。

圖6 循環水泵電機單相二次電流頻譜

4 轉子籠條故障診斷總結

電機轉子籠條故障的診斷，首先要對電機異常現象進行分析，現場查看是否存在電機本體和軸承溫度過熱、電流波動較大、啟動時間延長、負載設備（泵或風機）力矩減小等現象。如有上述問題出現，則可能存在轉子籠條故障。其次，對電機進行振動分析和電流頻譜精密診斷分析。一般電流頻譜檢測設置的采樣頻率和采樣點數相對較高，極通過頻率特征反應靈敏，準確性較高，因此，建議電動機轉子籠條故障分析主要利用電流頻譜技術手段進行診斷分析。振動頻譜檢測由于采樣參數設置等原因在分析電氣故障方面靈敏性不高，但如果在振動頻譜中電機工頻出現極通過頻率邊帶，可以判斷電機存在至少一個籠條斷裂情況，所以，振動頻譜分析可以作為電機轉子籠條故障診斷的重要輔助手段。如果電機存在轉子不平衡、聯軸器不對中、軸承磨損等非電氣類故障，在振動頻譜中可以更直觀反映出來。而在實際生產中，電機很有可能同時存在多種故障類型，靈活運用振動分析和電流頻譜分析等方法，并結合設備運行情況和現場實際情況，才能夠準確診斷出故障類型，及時發現設備存在的缺陷。

5 結語

火力發電廠中有大量采用鼠籠式異步電動機驅動的旋轉機械設備。如本文中的循環水泵為發電企業重要輔機，作為火電廠冷卻水循環系統中的重要組成部分，對火電廠安全經濟運行十分重要，針對夏季高溫情況，如該設備發現斷條事故導致停運，會導致機組降出力或非停，同時，因該類事故發電企業自身不具備修復能力，必須返廠檢修，機組運行時如發生該問題會對檢修計劃造成被動局面。通過對電動機電流頻譜進行的有預見性分析，可以準確地識別出轉子籠條斷裂故障的早期征兆，對轉子故障發展趨勢作出準確判斷，從而減少因事故停機帶來的損失。通過精密點檢振動和電流頻譜診斷技術，及時準確地診斷出設備故障，避免了一次設備二類障礙的發生，有利于及時制定檢修計劃，保障機組的安全經濟運行。