趙巧洪，何能全

（1.二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都617000；2.二灘開(kāi)發(fā)公司錦屏電廠，四川成都610031）

0 前言

鼠籠式三相交流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，在生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用。尤其是6 kV及以上高電壓等級(jí)的電動(dòng)機(jī)，電壓高、容量大，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，保證電機(jī)的可靠運(yùn)行有著非常重要的意義。

據(jù)某省電力試驗(yàn)研究所1995～1997年對(duì)該省11個(gè)大型火電廠數(shù)千臺(tái)大型高壓電動(dòng)機(jī)的故障情況所做的調(diào)查，122臺(tái)故障電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子斷條故障占27臺(tái)[1]。大型交流鼠籠式異步電機(jī)因其體積大，解體檢查困難，一般維護(hù)僅限于定子回路，如定子繞組絕緣測(cè)試、直流電阻測(cè)試、軸承檢查等常規(guī)維護(hù)，而對(duì)轉(zhuǎn)子檢測(cè)較少。轉(zhuǎn)子斷條后，不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，一定會(huì)導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步發(fā)展，最后引發(fā)轉(zhuǎn)子大面積損壞或鼠籠條脫落損壞定子，導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故發(fā)生。如在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率增大，定子電流和輸入功率增加，啟動(dòng)時(shí)間明顯加長(zhǎng)，甚至無(wú)法啟動(dòng)，運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)還伴有劇烈的振動(dòng)，噪聲增大等現(xiàn)象。因此，尋找一種簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子檢測(cè)技術(shù)對(duì)電機(jī)維護(hù)有非常重要的意義。

1 常見(jiàn)鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子檢測(cè)技術(shù)

研究人員一直在尋找一種簡(jiǎn)易可行的檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)的方法，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一些研究成果。根據(jù)轉(zhuǎn)子斷條或靜、動(dòng)態(tài)偏心時(shí)，氣隙中產(chǎn)生諧波磁通量，在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，以及它對(duì)供電頻率的調(diào)制作用，引起鐵芯振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等技術(shù)指標(biāo)和定、轉(zhuǎn)子電阻的變化的特點(diǎn)，檢測(cè)這些變化量，作為故障特征信號(hào)，以此進(jìn)行故障診斷。常見(jiàn)的方法如下。

（1）參數(shù)估計(jì)法：讓電動(dòng)機(jī)在定載、變載等不同的工作情況下運(yùn)行，同時(shí)采集定子電壓和定子電流，由正常電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理得到多階故障模型及其輸出方程，根據(jù)已知條件算出故障電阻，將該值與電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子電阻相比較即可判斷轉(zhuǎn)子有無(wú)故障[2]。這種方法的缺點(diǎn)在于需要電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面的大量數(shù)據(jù)，而且計(jì)算復(fù)雜。

（2）信號(hào)分析法：定子電流檢測(cè)——使用頻譜分析法和派克相量法，通過(guò)檢測(cè)定子電流從而確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障；感應(yīng)電壓檢測(cè)——在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子齒、定子軛或在外部機(jī)座上放置探測(cè)線圈，當(dāng)電動(dòng)機(jī)完好時(shí)，線圈中的感應(yīng)電壓頻率為基頻頻率，而當(dāng)轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂時(shí)，氣隙磁場(chǎng)中出現(xiàn)一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)使得氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，并以轉(zhuǎn)差頻率脈動(dòng)，從而確定轉(zhuǎn)子故障；轉(zhuǎn)矩諧波檢測(cè)——對(duì)轉(zhuǎn)矩頻譜進(jìn)行分析，根據(jù)其2倍轉(zhuǎn)差頻率的有無(wú)判斷轉(zhuǎn)子故障是否存在。

（3）人工智能法：專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、模式識(shí)別等技術(shù)。

2 轉(zhuǎn)子鼠籠斷條后的電磁特征

當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障后，轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)稱(chēng)性被破壞，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)將在定子繞組中產(chǎn)生頻率為(1-2s)f1的電流分量。定子電流中的(1-2s)f1頻率的電流分量與氣隙磁場(chǎng)作用，使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生2sf1頻率的波動(dòng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生2sf1頻率的波動(dòng)，在氣隙中出現(xiàn)頻率為（1±2s）f1的磁通成分，從而在定子繞組中感應(yīng)出（1±2s）f1頻率的電勢(shì)和電流，

式中，fbrb——定子電流中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子斷條故障頻率；

f1——電源頻率；

k——自然數(shù)k=1,2,…；

s——電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率。

通過(guò)對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的定子電流進(jìn)行頻譜分析，檢測(cè)其是否含有fbrbl頻率的諧波，即可判斷電動(dòng)機(jī)是否發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障，一般只檢測(cè)(1-2s)f1頻率分量即可。

3 簡(jiǎn)易綜合參數(shù)估計(jì)法的轉(zhuǎn)子檢測(cè)原理及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

簡(jiǎn)易綜合參數(shù)估計(jì)法實(shí)際是基于參數(shù)估計(jì)法，它利用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂后會(huì)在定子線圈中感應(yīng)出(1-2s)f1頻率電流分量的特征，通過(guò)測(cè)量觀察電流、電壓大小、頻率及波形的波動(dòng)情況來(lái)判斷轉(zhuǎn)子是否發(fā)生斷條以及發(fā)生斷條的程度。

試驗(yàn)原理接線圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)原理接線圖Fig.1 Circuit of the detection

其中ou、ov、ow為電動(dòng)機(jī)定子三相繞組。

試驗(yàn)方法：在電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，分別給電動(dòng)機(jī)的任意兩個(gè)抽頭加壓（uv、uw、vw），在不同的電流值時(shí)，手動(dòng)盤(pán)車(chē)，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子（速度1r/10s），在一個(gè)周期內(nèi)記錄繞組電壓、電流、頻率偏移值，并觀察波形的變化。

以下為二灘水電廠6 kV電壓等級(jí)、容量260 kW三臺(tái)電機(jī)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，其中1號(hào)電動(dòng)機(jī)為完好電機(jī)，2號(hào)電機(jī)有1根鼠籠條斷裂，3號(hào)電機(jī)有11根鼠籠條斷裂。1號(hào)、2號(hào)電機(jī)所加電流為0.3A、0.5A、0.7A、0.9A、1.5A、2A、3A、4A；3號(hào)電機(jī)所加電流0.3A、0.4A、0.5A、0.6A、0.8A、1A、1.3A、1.9A。

部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～3。

根據(jù)以上測(cè)量數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）1號(hào)電動(dòng)機(jī)，即完好電動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)（電流、電壓、波形）基本沒(méi)有變化。

（2）通過(guò)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)這三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子斷條可以由電流波、電壓、波形這些參數(shù)反映出來(lái)，即此方法可以作為檢驗(yàn)鼠籠條斷條（一根及以上）的方法。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)2號(hào)、3號(hào)電動(dòng)機(jī)電流偏移量與所施加電流大小的關(guān)系的分析可以得出，所加電流值越大，電流波動(dòng)越明顯。轉(zhuǎn)子斷條越嚴(yán)重，電流波動(dòng)越明顯。

（4）經(jīng)過(guò)對(duì)2號(hào)和3號(hào)電壓偏移量與所施加電流大小的關(guān)系表分析可以得出，轉(zhuǎn)子斷條越嚴(yán)重，電壓波動(dòng)越明顯。同時(shí)，對(duì)于斷條嚴(yán)重的電動(dòng)機(jī)，電壓偏移的幅度隨施加電流大小的增加而增加。

表1 1號(hào)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1:Test data of the motor No.1

表2 2號(hào)電動(dòng)機(jī)電壓偏移量與所施加電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2:Voltage deviation and current of the motor No.2

表3 3號(hào)電動(dòng)機(jī)電壓偏移量與所施加電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3:Voltage deviation and current of the motor No.3

（5）相對(duì)于1號(hào)電動(dòng)機(jī)，有斷條的電動(dòng)機(jī)波形有明顯的變化。

（6）1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)頻率變化不明顯，基本不變。

4 簡(jiǎn)易綜合參數(shù)估計(jì)法的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：該方法所需設(shè)備儀器較少，檢測(cè)快速，判斷準(zhǔn)確，不需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行解體，檢測(cè)成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：該方法比較適合于已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂的電機(jī)的檢測(cè)，無(wú)法對(duì)發(fā)展中的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，無(wú)法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的潛在缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

綜合參數(shù)估計(jì)法的意義：鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條很少時(shí)，電機(jī)仍可以繼續(xù)運(yùn)行，簡(jiǎn)易綜合參數(shù)估計(jì)法能及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)出轉(zhuǎn)子斷條故障，有效防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，因此該轉(zhuǎn)子檢測(cè)方法的應(yīng)用前景非常廣闊。■

[1]吳國(guó)沛，任陣，管霖，等.鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障的分析與診斷[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27(10)：52～57.

[2]寧玉泉.籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障時(shí)的參數(shù)計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17(4)：84～88.

[3]張龍照,邱阿瑞.用頻譜分析方法檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1987，(4)：46～50.