張 冉

中國石化勝利油田技術檢測中心 （山東 東營 257000）

高壓電機因功率高、轉矩大和抗沖擊能力強等優(yōu)點，廣泛應用于石油石化行業(yè)中。油田注水用離心泵，煉化企業(yè)中的高壓水泵、空氣分離裝置、液氨輸送泵、蒸餾裝置用加熱鼓風機等廣泛采用6kV和10kV高壓電機驅動。中國石化HSE管理體系中，高壓電機的安全運行是重要的考核指標之一。石油化工企業(yè)工藝生產連續(xù)性強，驅動重要設備的高壓電機一旦中斷正常工作，將造成較大的經濟損失，同時有些重要生產過程的恢復困難，對相關生產流程造成重大影響。此外，高壓電機容量較大，發(fā)生故障時的破壞力也較大，故障時可能引起負載和周圍設備的損壞；當發(fā)生接地故障時，高壓電機外殼將直接帶6kV或者10kV高壓電，嚴重威脅工作人員的生命安全。因此，高壓電機的狀態(tài)檢測和故障診斷是保證設備安全運行的重要工作。

1 振動監(jiān)測

1.1 振動參量的選取

激振源是使被測物體產生振動的重要手段，在主動式測量中應選用激振器作為激振源，可以對被測物體施加振動特性已知的振動，以充分了解研究對象的振動狀態(tài)和各種振動參數。如果被測對象較大或其他原因，無法對被測對象實施主動式測量，則可以采用被動測量的方法，即依靠自然振動，如風、浪、地震等作用于被測物體上使其產生振動，也可依靠振動體工作時所產生的振動作為振動源，通過測量這些振動，來分析被測物體的振動特性。

選用研究對象的工作振動作為激振源的另一個非常重要的作用是根據所測的振動值來判斷機械工作的狀態(tài)。由于機械的振動頻率基本上在10～10000Hz的范圍內，所以一般選用速度值作為測量參數。國際標準ISO 2372和ISO 3945把設備軸承座殼體上的振動速度值作為判斷設備狀態(tài)的標準。這種用全頻域的振動速度值進行的診斷，一般說來是有效的，特別是對機械設備整體狀態(tài)的故障有較強的診斷能力。振動速度的大小是診斷設備是否正常的最好指標之一，因此ISO 2372和國家標準都選用了速度量作為評價標準，但根據目前的測試水平，速度量的直接測試比較困難，一般都選取加速度量作為測試的主要參數，然后采用模擬積分或數字積分的方法再得到速度量。

1.2 基于三軸加速度傳感器的測試方法

通過振動監(jiān)測準確進行故障診斷的基礎和最重要的前提是振動數據的的準確采集，也就是加速度的準確測量。傳統(tǒng)的測試方法是在被測部位的3個垂直方向同時放置3個單軸加速度傳感器。這種測試方法的缺點:①測試時需要3個單軸傳感器，且數據采集接口也需要具備同時采集3個方向數據的能力；②數據采集的同時性難以保證，這直接影響到數據分析的準確性；③設備的某些部位無法在3個方向放置傳感器，限制了這種方法的應用場合。為了解決傳統(tǒng)加速度測試方法的不足，本文提出了采用三軸加速度傳感器進行振動測試分析的方法，如圖1所示。

圖1 三軸加速度傳感器

目前的三軸加速度傳感器大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應的放大和濾波電路進行采集[1]。三軸加速度傳感器能通過1個數據通道同時采集3個方向的振動加速度的數據，簡化了測試的線路，同時提高了測試數據的準確性，由于只需1個檢測探頭，大大增加了振動監(jiān)測技術的應用范圍。

2 電機電流監(jiān)測

電機電流信號分析法，簡稱MCSA(Motor Current Signal Analysis)，通過分析電機定子電流，研究其特征信號與故障的對應關系。檢測人員可以從電機控制中心方便的評估電機的電氣和機械運行狀態(tài)。為了精確地分析，MCSA系統(tǒng)首先對采集的電壓和電流信號進行傅立葉分解（FFT）,然后通過解調分析在工頻信號中分離出特征頻率用來鑒別故障類型和故障程度。

2.1 高壓電機故障特征頻率

由于MCSA和振動分析具有類似的規(guī)律，因此絕大部分故障具有良好的可識別性:

1）極通過頻率（ppf）邊帶在線頻的周圍預示轉子條故障，且峰值越高，故障的嚴重性也越大。

2）ppf的諧波邊帶時常與鑄造氣孔或轉子條松動有關。

3）在線頻峰值周圍產生“凸起噪聲平臺”的非ppf邊帶，常與驅動負載松動或其他驅動問題有關。

4）“凸起噪聲平臺”的信號與松弛或空穴現象相關。

5）電壓中顯示的峰值與電氣問題相關，如輸入電源。電流中顯示的峰值只與繞組和機械故障有關。

6）與轉速和線頻無關的成對峰值通常與軸承問題相關。

2.2 轉子分析

MCSA的基本能力之一就是對轉子進行故障診斷。轉子條斷裂、靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心是MSCA可以評估轉子問題的3種基本類型。轉子條斷裂通常被認為是因為基頻附近存在滑差頻率邊帶，當這些邊帶達到或超過-35dB（正常應低于35dB）時，認為檢測出現故障。例如，一臺60Hz電機系統(tǒng)中，轉速1760rpm，其旋轉頻率為:1760/60=29.33Hz。同步頻率為:（2×60）/4=30Hz，那么滑差頻率為:（30-29.33）×4=2.68Hz。如果2.68Hz邊帶出現在60Hz頻譜峰值左右，并有-40dB大小，那么轉子就存在斷條。

靜態(tài)偏心可以在高頻頻譜中確定。靜態(tài)偏心發(fā)生在中心頻率CF（CF定義為:轉子條數（RB）乘以轉頻（RF）或定子槽數乘以轉頻）。CF即有線頻的N倍邊帶，其中N是奇整數。例如，前面提到的1760 rpm電機，已知RB為47，其基本頻率將是29.33×47=1378.5Hz，若存在靜態(tài)偏心，則CF有60Hz、180Hz等邊帶。動態(tài)偏心與靜態(tài)偏心不同的是，在靜態(tài)偏心基本頻率邊帶左右也有轉頻邊帶。表1為轉子故障評價標準與建議。

2.3 定子分析

對電機繞組進行故障診斷，首先確定定子槽通過頻率（SP）。CF等于定子槽數乘以轉頻。當SP邊帶出現在CF左右時表明存在故障。例如，29.33（轉頻）×42（槽數）=1231.9（CF）。 如果 CF 有轉頻邊帶，那么定子就存在機械的或電氣的劣化。通過確定中心頻率，可以判斷機械不平衡，47（RB）×29.33（RF）=1378.5（CF）。定子典型故障頻譜特征見表2。

表1 轉子狀態(tài)評價

表2 電機定子故障特征

3 綜合故障診斷實例

3.1 測試方法

將振動監(jiān)測與電機電流信號分析相結合，對診斷結論相互印證，綜合診斷高壓電機的運行狀態(tài)，從而實現高壓電機故障的提前預警[2]。電機軸承振動檢測中采用FLUKE810三軸加速度傳感器，其放置位置如圖2所示。其中，位置1為電機軸承的主動端，位置2為從動端。采用美國Old Saybrook的測試儀器ATPOL對電機的電壓電流進行采集[3]，測試過程中要注意:①確認測量模式處于相—相測量方式；②盡量準確獲取電機參數，包括名牌轉速、額定電壓、電流和功率，此外軸承數據和定轉子槽數有助于更準確地對注水電機進行故障診斷；③電流測試時，保證電流流向與電流鉗標定正方向一致，如果測試系統(tǒng)超過600V，需通過CT和PT連接，這時要正確輸入CT和PT的變比；④確定電壓和電流正確的連接。三相相位差約為120°；⑤采集10s電壓和電流數據，檢查低頻解調電流，對轉子和負載相關的運行狀態(tài)進行故障診斷，檢查高頻解調電流和電壓，診斷定子繞組和機械相關的問題[4]。

圖2 電機軸承振動診斷測試示意圖

3.2 診斷結論

圖3 三軸振動速度頻譜

對某注水高壓電機進行了軸承振動檢測，對加速度進行積分得到速度頻譜圖，如圖3所示。通過分析3個方向的振動頻譜，電機的軸承存在可能存在磨損故障[5]。同時采集了電機三相電壓電流信號，對數據進行了傅立葉變換和解調分析，發(fā)現電機電流存在明顯的諧波畸變現象，原始電流波形和FFT波形如圖4（a）、（b）所示。低頻解調電流的分析表明，電機的軸承可能存在機械方面的問題，與振動監(jiān)測給出的結論一致。檢測人員將電機轉子抽出檢查，發(fā)現軸承外套已經存在較嚴重的磨損現象，驗證了檢測結果的準確性。在電機修理廠對該軸承進行了更換之后重新進行了測試，結果顯示正常。

圖4 MCSA分析波形

4 總結

采用三軸加速度傳感器進行高壓電機的振動分析診斷可以同時采取3個方向的振動數據，提高了診斷結果的準確性。通過與電機電流信號分析法相結合，從而可以實現高壓電機的綜合故障診斷。本文分析了三軸加速度傳感器的工作原理和測試方法，將該方法應用于高壓電機軸承的故障診斷分析，采用電流信號分析法對高壓電機的定子、轉子的電氣和機械工作狀態(tài)進行了檢測，現場試驗結果驗證了該方法的準確性。

[1]劉宇,鞠文斌,劉羽熙,等.加速度傳感器的檢測應用研究進展[J].計算與測試技術,2010,37(10):24-25.

[2]李井水.基于振動信號分析的油田注水機組故障診斷研究[D].大慶:大慶石油學院,2005.

[3]王浩,何振宇,武彩虹,等.電廠用高壓電動機故障分析與處理[J].大電機技術,2006(4):27-30.

[4]茹秀敏,董貴恒.高壓電動機保護的設計[J].水利電力機械,2006,28(9):51-53.

[5]田建國,屈凱.高壓交流電機常見故障分析及預防措施[J].裝備制造技術,2012(2):105-107.