基于MCA技術(shù)的港機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

汪 濤 倪 圓 楊雙華 于婷婷

1 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 2 中國人民解放軍91663部隊

1 引言

隨著全球海運(yùn)貿(mào)易的增長，港口作業(yè)日益繁忙。港口機(jī)械是港口作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其狀態(tài)好壞直接影響港口作業(yè)效率與安全。因此，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷，有效預(yù)防故障發(fā)生與擴(kuò)大具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前針對港口機(jī)械常用的狀態(tài)監(jiān)測方法有振動噪聲監(jiān)測、油液監(jiān)測、紅外溫度監(jiān)測以及在線監(jiān)測等，但港機(jī)設(shè)備大多由電機(jī)驅(qū)動，且港機(jī)大多處于碼頭等高鹽、高濕環(huán)境，電氣性能容易發(fā)生劣化，目前鮮有從電機(jī)電氣性能角度開展港機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的案例[1-3]。許多港機(jī)電氣設(shè)備的潛伏性故障，如定子匝間短路、相間短路、層間短路等絕緣劣化，以及轉(zhuǎn)子斷條、氣隙不均等轉(zhuǎn)子缺陷[4]，難以通過振動等常規(guī)技術(shù)手段檢測發(fā)現(xiàn)。電機(jī)電氣性能監(jiān)測，可以在不拆卸設(shè)備或不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行實時監(jiān)測，掌握電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、潛伏性故障及其發(fā)展趨勢，為電氣設(shè)備的及時維修提供科學(xué)依據(jù)，有效避免設(shè)備故障的擴(kuò)大和事故的發(fā)生，提高港機(jī)設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。本文提出了一種基于MCA技術(shù)(Motor Circuit Analysis，電機(jī)電路分析)的港口機(jī)械電氣性能監(jiān)測與診斷方法，通過對電機(jī)三相阻抗、電感、倍頻和相位角等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，評估電機(jī)質(zhì)量狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷。

2 電機(jī)常見故障原因

電機(jī)常見的故障主要分為機(jī)械故障、電氣故障等類型。其中機(jī)械故障主要包括軸承故障、轉(zhuǎn)子及附件不平衡、聯(lián)軸器不對中、機(jī)座松動、機(jī)殼共振等；電氣故障主要包括匝間短路、層間短路、相間短路、氣隙不均、轉(zhuǎn)子斷條、轉(zhuǎn)子鑄造缺陷、繞組對地絕緣不良、缺相運(yùn)行、電源電壓過高或過低等。另外，電機(jī)還有其他類型故障，如過載、散熱不良等。針對不同類型故障，可采取不同的監(jiān)測手段，如振動、紅外、電氣性能監(jiān)測等，表1為各種監(jiān)測手段的監(jiān)測效果。

表1 不同監(jiān)測手段監(jiān)測效果

由表1可以看出，振動噪聲監(jiān)測對于機(jī)械故障最為敏感，紅外監(jiān)測對于接頭連接松動最為敏感，而電機(jī)電氣性能監(jiān)測對于電機(jī)電氣故障效果最好。

3 MCA技術(shù)原理

正常的三相電機(jī)，其三相繞組的電參數(shù)是對稱的，三相電特性是平衡的。這種平衡既包括被動型電參數(shù)如直流電阻值的對稱，也包括主動性電參數(shù)，如電感L、相角Fi、阻抗Z和倍頻I/F等的對稱。如果電機(jī)出現(xiàn)故障，隨故障類型和故障程度的不同，這些電特性中的1個或多個參數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。電機(jī)電路分析是一種靜態(tài)分析方法，即將電機(jī)看成是一個包含電阻、電感、電容的復(fù)雜電路，對電機(jī)在未通電狀態(tài)下進(jìn)行一系列的低壓測試，通過測試比較各相繞組電氣性能參數(shù)間的差異，并分析參數(shù)一段時間內(nèi)的變化趨勢等，從而對電機(jī)電氣性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。基于這一原理的測量與分析方法能迅速地診斷出電機(jī)故障，包括早期潛伏性故障。

3.1 倍頻(I/F)測試

對于電機(jī)繞組，檢測儀發(fā)出電壓為U、頻率為ω的高頻正弦波信號，則反饋回來的電流的幅值為I1；然后檢測儀又發(fā)出電壓為U、頻率為2ω(倍頻)的高頻正弦波信號，則反饋回來的電流的幅值為I2，倍頻值的計算式為：

(1)

式中，Z1、Z2分別為對應(yīng)電壓下的阻抗。

(2)

(3)

在高頻信號輸入下，電感形成的阻抗可以忽略不計。最初，無匝間短路發(fā)生的繞組，在儀器發(fā)出的高頻電流下，類似于“純電感電路”，對應(yīng)的R=0，I/F=-50%。當(dāng)匝間短路發(fā)展到最后，L幾乎完全失效，繞組類似于“純電阻電路”，對應(yīng)的L=0，I/F=0。匝間短路的發(fā)展趨勢是使繞組從“純電感電路”向“純電阻電路”的邁進(jìn)，即I/F從-50%向0%發(fā)展[5]。I/F值直接說明了電感的失效程度，它能夠作為匝間短路的判定依據(jù)。由于電阻的存在，繞組在最初只是接近于“純電感電路”，I/F只是接近于-50%，一般在-35%～-50%之間。

3.2 阻抗、電感、相角測試

在測量阻抗、電感和相角等參數(shù)時，檢測儀產(chǎn)生一個頻率100～800 Hz的低壓正弦波信號，測量電阻時產(chǎn)生一個低壓直流電壓信號，測量絕緣阻抗時，產(chǎn)生一個500 V或1 000 V的直流電壓信號，其參數(shù)測量電路類型于惠斯頓電橋。由于測試時施加的電壓或者電流很小，因而不會損壞電機(jī)繞組，而且這種測試屬于靜態(tài)測試，不需啟動電機(jī)。

其中，相角表示電路中交流電流與施加電壓之間的波形的先后關(guān)系，用角度表示(0～90°)，該參數(shù)對繞組短路很敏感。對于純電阻電路，電壓與電流同相，相角為0°；對于純電感電路，電壓領(lǐng)先電流90°，相角為90°；對于純電容電路，電壓落后電流90°，相角為-90°。對于一般電機(jī)，相角測試值在50°～80°范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)生匝間短路時，相角減小。

3.3 參數(shù)不平衡度

測量參數(shù)中，阻值R、阻抗Z、電感L的不平衡度計算為：

(4)

式中，δX為阻值R、阻抗Z、電感L的不平衡度；Xmax為三相繞組中阻值R、阻抗Z、電感L的最大值；Xmin為三相繞組中阻值R、阻抗Z、電感L的最小值。

倍頻值I/F、相角Fi的不平衡度為三相繞組中最大值減最小值，即：

δI/F=I/Fmax-I/Fmin

(5)

δFi=Fimax-Fimin

(6)

4 基于MAC技術(shù)的電機(jī)電氣性能監(jiān)測

4.1 電機(jī)繞組監(jiān)測方法

對于港口機(jī)械，常用的三相異步電機(jī)有2種接線方式：星型接法和三角形接法，見圖1、圖2。

圖1 電機(jī)星型接法

圖2 電機(jī)三角型接法

對于2種接線方式，采用表2中的測量順序，逐步對三相繞組進(jìn)行測試，并記錄相應(yīng)的測試結(jié)果。

表2 繞組測量順序

4.2 電機(jī)質(zhì)量狀態(tài)評價

根據(jù)測試結(jié)果，計算不同測量參數(shù)的不平衡度，依據(jù)電機(jī)質(zhì)量評判依據(jù)評價電機(jī)質(zhì)量狀態(tài)。電機(jī)質(zhì)量評判依據(jù)見表3[5]。

表3 電機(jī)質(zhì)量評判依據(jù)

該評判依據(jù)將電機(jī)質(zhì)量分為良好、缺陷、故障3個狀態(tài)等級，結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)可判斷電機(jī)的狀態(tài)。

4.3 電機(jī)繞組故障診斷

對于監(jiān)測發(fā)現(xiàn)處于缺陷或故障狀態(tài)的電機(jī)，需進(jìn)一步開展故障診斷，找出故障發(fā)生的原因并定位故障部位，方便開展檢修。基于MAC技術(shù)判別電機(jī)故障類型的步驟和方法見圖3。

圖3 電機(jī)故障類型判別步驟

5 故障案例分析

某岸橋起升機(jī)構(gòu)2#電機(jī)在使用過程中，發(fā)現(xiàn)工作電流存在明顯波動，并且電機(jī)抖動異常，而1#電機(jī)工作正常。針對這一情況，在日常維護(hù)期間，采用某型電機(jī)故障檢測儀對2臺電機(jī)開展電氣性能監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 電機(jī)電氣性能參數(shù)監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)參數(shù)不平衡度計算公式，2臺電機(jī)電氣參數(shù)不平衡度見表5。由表5可知，1#電機(jī)各項電氣參數(shù)基本平衡，而2#電機(jī)阻抗、相位、電感、倍頻不平衡度分別為29.23%、8°、25%和5%。

表5 2#電機(jī)繞組參數(shù)不平衡度

參照表3，2#電機(jī)電氣性能參數(shù)不平衡度已嚴(yán)重超出電機(jī)質(zhì)量評判依據(jù)中規(guī)定的故障上限，電機(jī)處于故障狀態(tài)。按照圖3中電機(jī)故障類型判別步驟，可分析該電機(jī)故障原因為繞組短路。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，2#電機(jī)繞組存在早期匝間短路痕跡，匝間短路造成相位角減小，倍頻向0%發(fā)展，同時匝間短路還造成線圈電流不穩(wěn)定波動。更換電機(jī)繞組后，電機(jī)工作電流及電氣性能參數(shù)均恢復(fù)正常。

6 結(jié)語

基于MAC技術(shù)的電機(jī)電氣性能監(jiān)測能有效發(fā)現(xiàn)港口機(jī)械設(shè)備的電氣故障，特別是繞組匝間短路等絕緣劣化的趨勢性故障。該監(jiān)測方法不用拆卸設(shè)備，可結(jié)合設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)進(jìn)行，能有效監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)變化趨勢，在故障發(fā)生早期及時處理，有效避免故障的擴(kuò)大和事故的發(fā)生，提高設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。