鄭祥云 魏 林 王 康

（華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊261204）

0 引言

磨煤機是發(fā)電廠主要的輔助設備之一。磨煤機電機啟動較為頻繁，啟動時間長、負荷大，發(fā)生鼠籠斷條的幾率較高，對發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行造成了極大的影響。近幾年，磨煤機電機故障時有發(fā)生，甚至呈上升趨勢［1］。為了提高磨煤機電機運轉的可靠性，保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定滿負荷運行，對磨煤機電機鼠籠斷條故障進行及時診斷，以便提出相應的預防改進措施，是非常有意義和必要的。

1 磨煤機電機轉子斷條的原因

磨煤機在啟動時，鋼球與煤全部囤積在其滾筒下部，整個啟動過程遲緩，大約10～20s才能啟動起來，一般啟動電流是額定電流的6～7倍，啟動時間長、負荷大，而籠條間電動力正比于電流的平方，約為36～49倍，啟動力矩大；同時在啟動電流由0上升到持續(xù)最大值的這段時間內，端環(huán)短路電流迅速達到最大，并發(fā)熱膨脹，這必然會產生徑向位移和變形，根據發(fā)熱公式Q＝kI2Rt及電流的集膚效應作用，啟動時間愈長，啟動電流愈大，彎曲變形愈厲害，再發(fā)展下去，就會出現(xiàn)釬焊接頭熔開，籠條與端環(huán)處開焊現(xiàn)象。所以籠條在啟動過程中不僅受到電磁徑向力、離心力的作用，還受到難以計算和預測的熱應力的影響，使籠條受到交變的應力，反復彎曲變形，疲勞損傷達到一定程度，必然造成端環(huán)開焊、籠條斷裂事故［2］。

2 診斷方法

輕微的鼠籠斷條故障對電機正常運行不會產生很大影響，僅僅憑觀測也很難發(fā)現(xiàn)故障的存在。但當某一根籠條斷裂之后，相鄰籠條的電流要相應增大，因此加速了其他籠條特別是相鄰籠條的斷裂，最終會發(fā)展為多根籠條斷裂，造成電機嚴重損壞。因此，及早發(fā)現(xiàn)斷條故障顯得尤其重要，這就需要有可靠的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法。轉子斷條的監(jiān)測方法很多，根據檢測信號的不同可分為電流分析法、失電殘壓法、瞬時功率法、脈振磁場分析法、電磁轉矩分析法、振動噪聲分析法等［3］。我廠依據現(xiàn)有的技術條件，采用振動頻譜特征和定子電流頻譜特征分析法，取得了良好的效果。

2.1 振動頻譜特征分析

分析振動特征信號不僅能檢測電機機械問題，也能檢測電氣有關問題?；\型異步電機因籠條斷裂將產生不平衡電磁力，該不平衡電磁力隨轉子一起轉動，其振動頻譜呈現(xiàn)如下特征［4］：（1）在轉速頻率1X的兩側產生很清楚的極通過頻率的邊帶。（2）在轉速頻率及諧波頻率的兩側產生極通過頻率邊帶的情況下，往往發(fā)現(xiàn)1個以上的轉子斷條。

鼠籠異步電機轉子斷條故障時的振動頻譜圖如圖1所示。

圖1 轉子斷條故障時的振動頻譜圖

2.2 定子電流頻譜特征分析

電機定子的供電電流在很大程度上受電機狀態(tài)的影響，當轉子正常時，定子電流的頻率是單一的電源頻率；而當轉子出現(xiàn)斷條故障時，引起的定子電流故障頻率成分為［5］：

式中，ffault為故障頻率；f1為供電頻率；s為轉差率；k為整數（0，1，2…）。

當k＝0時，ffault為2sf1，稱之為2倍轉差頻率。由于它對供電頻率的調制作用，在供電電流頻率兩側（1±2s）f1的位置上各出現(xiàn)一個邊頻帶，隨著斷條數目的增加，（1±2s）f1處的幅值增加。因此，根據邊頻帶幅值的大小即可判斷轉子斷條故障和故障程度，如果邊頻帶幅值低于供電電流頻率幅值40dB以內，說明轉子出現(xiàn)斷條。

鼠籠異步電機轉子斷條故障時的電流對數頻譜圖如圖2所示。

圖2 轉子斷條故障時的電流對數頻譜圖

3 診斷實例

本廠1D磨煤機采用6極鼠籠異步電機，額定轉速為992r／min，電機轉頻約16.53Hz。電機測點分布如圖3所示。2013年8月13日，對該電機進行振動監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)振動值超標，達到3.57mm／s（通常規(guī)程規(guī)定的監(jiān)測振動的速度標準值為2.8mm／s），危及正常生產的原料供應。

2013年8月13日，我們重新對電機的振動頻譜進行測量，為了確保測試的準確性，在測試時設置了高分辨率的振動參數，180Hz、1600條譜線，同時電機要帶70%以上負荷，實際測試時電機帶了90%負荷。

在對記錄的頻譜進行分析的過程中，首先看到的是在頻域信號中主要以電機轉頻及諧波為主，如圖4所示，而正常的磨煤機電機振動頻譜如圖5所示。

圖3 設備結構及測點

圖41D磨煤機電機振動頻譜圖

圖5 沒有斷條故障的磨煤機電機振動頻譜圖

在圖4有斷條故障的電機振動頻譜圖中，存在幅值較高的電機轉頻f0（≈16.53Hz）及2f0、3f0、4f0諧頻成分，且在這些轉頻及諧頻的周圍存在邊頻帶。經分析，發(fā)現(xiàn)這些頻率的間隔均為0.78Hz。在圖5正常電機振動頻譜圖中，電機轉頻f0（≈16.53Hz）及2f0、3f0、4f0諧頻成分幅值較低，并且周圍不存在邊頻帶。

現(xiàn)在來解釋一下0.78Hz頻率的來源。由于該電機為異步電機，所以在正常工作時應該存在轉差速度，即電機的實際轉速應略低于其同步轉速，且電機負載越大，其轉差速度也越大。我們在現(xiàn)場實際測試轉速約為992.6r／min，與電機的同步轉速相差在7.4r／min左右，其所差的頻率應該在0.123Hz左右，極通過頻率應該在0.74Hz左右。圖4中0.78Hz頻率邊帶與計算得到的0.74Hz極通過頻率邊帶相差不大，我們認為是由于分辨率等誤差造成的，這個0.78Hz頻率邊帶就是極通過頻率邊帶，0.78Hz頻率的極通過頻率邊帶很明顯地出現(xiàn)在1倍、2倍、3倍和4倍轉頻周圍，這類頻譜說明該電機可能已經出現(xiàn)了籠條斷裂故障。

為了進一步驗證結果的準確性，我們對電機定子二次電流頻譜進行測量分析。在電流頻譜測試時我們設置了高分辨率的測試參數：100Hz、3200條譜線；采用漢寧窗；設2次平均；電機實際帶負荷90%左右。記錄測量時的電機工作電流值，所得的對數坐標下電流頻譜圖如圖6所示。

圖6 對數坐標下電機定子電流頻譜圖

在電流譜線處作局部放大，工作電流譜線兩邊存在2倍轉差頻率（約0.25Hz）的邊頻帶，工作頻率的幅值與2倍轉差頻率邊頻帶的幅值差為38dB，小于40dB，表明該電機已經出現(xiàn)了斷條故障。

振動頻譜特征分析和定子電流頻譜特征分析均說明電機發(fā)生了斷條事故，2013年10月份利用大修的機會對電機進行解體檢修時，發(fā)現(xiàn)該電機轉子共有5根籠條端部斷裂，證明了判斷的正確性。

4 結語

綜合運用振動頻譜特征和定子電流頻譜特征分析可以準確、及時地診斷磨煤機電機鼠籠斷條故障，通過連續(xù)多次監(jiān)測還能對故障進行趨勢分析，為制定合理的檢修方案提供理論依據。

［1］陳江，沙德生.火力發(fā)電廠精密點檢及故障診斷案例分析［M］.北京：電力出版社，2010

［2］吳干東.電動機轉子故障的分析［J］.華北電力技術，2001（9）

［3］姚建紅，謝婷婷，張鴻偉.三相異步電動機振動故障診斷及處理方法分析［J］.佳木斯大學學報：自然科學版，2008（6）

［4］鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006

［5］秦淑香，徐殿國.籠形異步電動機電流法診斷轉子故障方法綜述［J］.煤礦機械，2005（6）