劉 磊，董自虎

（1.中國人民解放軍92730部隊裝備部，海南三亞 572016； 2.海軍駐438廠軍事代表室，武漢 430060；3.華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）

0 引言

電機作為當前最為常見的將電能轉換為機械能的執(zhí)行機構，有著結構簡單、可靠性高、負載可選、轉速可調、價格低廉、維護方便、壽命長等優(yōu)點，在現(xiàn)代艦艇上得到廣泛應用?？偟膩碚f，船用電機也分為交流和直流兩種類型電機。其中，交流電機主要用于為系統(tǒng)提供動力、壓力和扭矩，如水泵、油泵、風機和空壓機等設備上，直流電機主要用在推進系統(tǒng)、交直流變流系統(tǒng)、船用拖帶系統(tǒng)以及調節(jié)機構中。正是電機在艦艇上數(shù)量眾多、作用關鍵，它的性能水平直接影響著整首艦艇的戰(zhàn)技術水平，它的技術狀態(tài)對艦艇至關重要。

目前，在艦船研制、生產、服役的生命周期里，確保船用電機處于良好技術狀態(tài)必須做好三個方面工作：一是把好電機源頭質量關，引進噪音小、發(fā)熱低、壽命長的新型電機，通過具有軍工研發(fā)生產資質的渠道采購優(yōu)質電機，堅決杜絕質量低下有缺陷的電機上艦使用；其次是在服役期間，操作人員應具有良好的使用習慣，應嚴格按照操作規(guī)程使用和保養(yǎng)電機，并在壓力、電流、溫度以及互為備用電機的切換時機等實際操作環(huán)境尋求最優(yōu)參數(shù)組合，以避免電機故障，使其壽命最長化；第三是引入先進的主動維修思想，加強電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，提前找出故障隱患加以排除。

通過實踐證明，加強電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷能夠有效預防電機故障發(fā)生，這對確保電機處于良好技術狀態(tài)尤為重要。

1 電機的故障

電機由于制造工藝、使用條件及其他突發(fā)情況造成電機運行故障，輕則發(fā)熱、失速，重則電機燒毀引起重大事故。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）在《IEEE Std C493-2007（Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems）》《IEEE Std C37.96-2012（IEEE Guide for AC Motor Protection）》中通過對工業(yè)和商業(yè)設施中的1141臺電機出現(xiàn)的380起故障進行了統(tǒng)計出電機出現(xiàn)故障部位及概率，如表1所示[1,2]。

表1 電機出現(xiàn)故障部位及概率

美國電力研究學會(EPRI)關于電機的研究報告稱：電機故障約有53%源于機械原因，如軸承故障、不平衡、松動等；約47%源于電氣原因，其中，如匝間、相間短路等出現(xiàn)在定子繞組的故障約占37%，如鑄件缺陷導致的不平衡氣隙、斷條等出現(xiàn)在轉子的故障約占10%[3]，如圖1所示。

圖1 EPRI報告中電機各類故障比例

正如表1和圖1所示，電機的故障多種多樣，發(fā)生時機和故障機理也不相同，艦艇上的電機由于長期在高濕、高鹽、高溫和平臺起伏的海洋環(huán)境工作，更容易產生故障。而且電機故障往往在一瞬間發(fā)生，事故的發(fā)生以及之后的停機維修為執(zhí)行作戰(zhàn)訓練任務造成嚴重影響，也給艦艇的安全帶來巨大的安全隱患。因此，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患顯得尤為重要。

2 電機狀態(tài)的檢測技術

上個世紀90年代開始，歐美發(fā)達國家提出了“以可靠性為中心的維修模式（RCM）”，主動維修和預先維修得以應用和發(fā)展，而作為技術支持的檢測技術成為了維修的關鍵環(huán)節(jié)，并隨著科技的發(fā)展，逐步形成了一門多領域、高科技的應用學科。在長期的發(fā)展下，電機的檢測根據(jù)方法不同形成了動態(tài)機械檢測、動態(tài)電氣檢測、靜態(tài)電氣檢測三大技術：

2.1 動態(tài)機械檢測（DMT）

動態(tài)機械檢測（Dynamic mechanical testing，DMT）是基于電機運行期間，采集電機運行時的振動、噪聲、溫度等物理參數(shù)，通過分析判斷電機當前的技術狀態(tài)。常見的檢測手段有振動測量（包括頻譜分析、波形分析等）、紅外檢測、超聲診斷、軸承脈沖檢測等。

2.2 動態(tài)電氣檢測（DET）

動態(tài)電氣檢測（Dynamic electrical testing，DET）同樣是基于電機運行期間，對電機的電壓、電流、功率、效率等參數(shù)進行測量，通過分析判斷電機當前的技術狀態(tài)。常見的檢測手段有電壓不平衡檢測、電源質量檢測、動態(tài)效率檢測以及動態(tài)電機電流分析等。

2.3 靜態(tài)電氣檢測（SET）

靜態(tài)機械檢測（static mechanical testing，SET）是在電機停機期間或者安裝前，對電機的絕緣、絕緣電阻、直流電阻等參數(shù)進行測試從而判斷電機是否處于正常的技術狀態(tài)。常見的檢測方法有歐姆表測量、絕緣電阻檢測、高壓絕緣測試、LCR測試、浪涌測試、靜態(tài)電機電路分析等。

3 交流電機的電特性檢測

交流電機電特性的概念沒有官方定義，它是源于海軍監(jiān)測領域的習慣用法。我們將三相交流電機未通電時，每兩相之間測得的電阻（R）、電感（L）、阻抗（Z）、相角（Fi）、倍頻（I/F）以及絕緣等參數(shù)的組合稱為該電機的電特性。通過綜合分析各參數(shù)的搭配情況，可以判斷電機的狀態(tài)。電特性檢測是一種簡單易用、快速精確，并對艦艇裝備沒有影響的檢測手段。目前，國外已在艦艇上廣泛推廣該技術，我國也在基地級監(jiān)測中進行了普及。

3.1 交流電機電特性的提出

在電機檢測中，采用以往常規(guī)的電氣檢測方法只能進行絕緣、阻值、效率、電壓是否平衡等基本電氣故障，對部分阻值變化微弱的早期匝間短路，阻抗和相角不平衡產生的三相不平衡，定子故障等都無能無力。而且這些方法不能判斷出故障的嚴重程度，不能確定電機還能使用多長時間，更不能判定故障出現(xiàn)的部位。

以此為背景，電特性檢測對早期匝間、層間、相間短路的可靠檢出，并能判斷故障源于定子還是轉子的強大優(yōu)勢被人們所關注。美國BJM（桑美）公司以此為基礎推出用于電特性檢測的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO 2000等一系列檢測設備，并將這種檢測方法統(tǒng)稱為MAC技術。

3.2 電特性檢測的原理

電特性檢測的基本原理是將交流電機等效成為一個包含有電阻、電容和電感的電路，如圖2所示[4]。

圖2 電機的等效電路

在實際檢測中，用于電特性測量的儀器可以輸出所需要的測試交流電，并將相關參數(shù)的采集計算集成在儀器中，只需操作儀器就可以獲全部電特性參數(shù)。

3.3 電特性檢測的核心

電特性檢測技術與眾不同之處在于對交流電機的阻抗和倍頻進行測試，這也是其核心所在。

其中，阻抗平衡測試有別于常規(guī)電壓平衡測試，通過阻抗可以容易判斷轉子故障（鑄件缺陷、氣隙不均衡、偏心、斷條斷環(huán)）和繞組故障（匝間、層間、相間短路；絕緣缺陷），為電機狀態(tài)給出一個總體評估。

倍頻測試則可以直接指示定子繞組本身是否存在匝間短路。由圖2可以知道，當電機沒有匝間短路時，測試儀器向電路中輸出高頻電流，感抗遠大于電阻，即，此時電路近似于純電感電路；如果一旦發(fā)生匝間短路并進一步發(fā)展到最后時，電感失效，電阻就會遠大于感抗，即，此時電路近似于純電感電路。

當電路為純電感電路時，即電流減少一半；

當電路為純電阻電路時，即電流不變；

當電路為純電容電路時，即電流增加一倍。

從上面可以看出，電機的匝間短路的產生和發(fā)展實際上電機等效電路從純電感電路向純電阻電路發(fā)展的過程，同樣倍頻值也是從-50%向0發(fā)展的過程。因此，倍頻值的變化就可以直接表示電機匝間短路的程度。

3.4 電特性檢測的評判

3.4.1 三相平衡的評判

三相平衡的判定目前采用 IEEE國際標準，該標準是基于IEEE通過15年的測試數(shù)據(jù)考核得到，如表2所示[3]。

表2 IEEE電機三相平衡標準

表中的數(shù)據(jù)均是采用每兩相所測電特性數(shù)據(jù)求得偏移值進行比對。其中，倍頻I/F和相角Fi為任意兩相測量值之差的絕對值得到的最大值，電感，阻抗。

目前，阻抗測試已經(jīng)被公認為較直流電阻測試能更為精確地判斷三相平衡問題，因此該標準已成為美能源部推薦的電機質量評判依據(jù)。

3.4.2 PENROSE評判準則

PENROSE評判準則的制定者是美國現(xiàn)任DREISILKER ELECTRIC MOTORS公司副總裁Howard W.Penrose博士，也是美國BJM公司前總經(jīng)理。Howard W.Penrose博士一直從事電機系統(tǒng)測試和電機可靠性設計的研究。他提出的PENROSE評判準則主要有兩方面的內容：精確區(qū)分定子與轉子故障的評判準則。取表2中數(shù)據(jù)比較，當三相電感L和阻抗Z保持“平行關系”時，三相不平衡的原因來自轉子；當三相電感L和阻抗Z不是“平行關系”時，三相不平衡的原因多來自定子繞組的過熱或污染。

精確區(qū)分匝間、層間、相間故障的評判準則。取表2中數(shù)據(jù)比較，當Fi與I/F同時>2時，有同相、同繞組的匝間短路；當Fi>1，且I/F平衡時，有同相繞組中的線圈間短路，即層間短路；當Fi平衡，且I/F>2時，有相間短路。

4 電特性檢測的實際應用

電特性檢測已經(jīng)作為一項必要工作，與電機振動測量、電機軸承脈沖測量、電機紅外測量一起納入電機日常檢測四項內容。所配置儀器操作簡單，可以一次性讀取所測兩相的所有電特性參數(shù)。為避免拆卸電機，通常把測量位置選在電機配電箱處，找準電機的三相供電接線，一般配電箱用U、V、W標識。

4.1 海水泵檢測實例

某艦艇海水泵電機，電壓380 V，功率30 kW，轉速2960 r/min，立式安裝。2007年9月在停機期間進行電特性檢測，數(shù)據(jù)如表3所示。

將表3數(shù)據(jù)按表2中IEEE電機三相平衡標準進行評判，該電機處于良好狀態(tài)。

2008年3月再次檢測，數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)標準判定，該電機存在嚴重的三相不平衡，通過PENROSE評判準則，此時三相電感Z和阻抗L保持“非平行關系”，可以推斷電機不平衡是源于定子繞組，再觀察相角Fi與倍頻I/F可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)i與I/F同時>2，因此判定為同相、同繞組的匝間短路。

后據(jù)了解，該艦艇在此期間參加長時間的訓練任務，機械設備使用強度大，保養(yǎng)次數(shù)少，造成電機惡化嚴重。考慮到倍頻值偏離嚴重，為避免匝間短路發(fā)展成電機燒毀事故，將電機更換，返廠重新對定子進行繞線。

表3 海水泵電機電特性數(shù)據(jù)(2007）

表4 海水泵電機電特性數(shù)據(jù)(2008）

4.2 凝水泵檢測實例

某艦艇造水系統(tǒng)中的凝水泵電機，電壓 380 V，功率23 kW，轉速2970 r/min，立式安裝。在2008年塢檢期間有艦員反映，該電機運行時排量和壓力不足，有異常振動和噪聲。通過振動測試，初步判斷系統(tǒng)轉子不平衡。但考慮到艦員在崗位巡查時所測得電流有波動，懷疑電氣故障的可能性較大，因此對該電機進行電特性檢測，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 凝水泵電機電特性數(shù)據(jù)(2008）

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，雖然電阻、倍頻、相角均保持平衡，但電感和阻抗出現(xiàn)嚴重不平衡，且不是呈現(xiàn)平行關系。結合振動測試的不平衡現(xiàn)象，初步判斷為轉子出現(xiàn)故障。

后經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，電機已經(jīng)發(fā)生轉子斷條。從這個例子可以看出，簡易檢測中只測量電阻的方法并不能有效地發(fā)現(xiàn)故障，電阻平衡，但阻抗不一定平衡。

5 結論

1)通過類似海水泵檢測實例可以總結出，電機的狀態(tài)是隨著使用而惡化，長期采集電機的電特性參數(shù)，摸索變化規(guī)律，掌握電機壽命期間電特性的變化曲線，可以有效檢測出電機所處狀態(tài)，并推斷出電機的剩余壽命。

2)通過凝水泵的檢測實例，我們可以看出電特性檢測不是萬能的手段，在對電機進行狀態(tài)評估時，應采用多種方法相結合，動態(tài)靜態(tài)相結合，與歷史數(shù)據(jù)相結合，進行綜合評估和判斷。

3)通過電特性檢測十幾年在海軍各艦艇部隊實際應用所取得的良好效果，證明電特性檢測是一種對電機行之有效的檢測方法。在IEEE的推薦下，美國BJM（桑美）公司生產的ALL-TEST系列電特性檢測設備也在世界各地獲得了廣泛應用，在國內 許多行業(yè)也取得了良好效果。

4)電特性檢測是主動維修思維模式下的產物，它是基于可靠性為中心的維修模式。許多通過這種方法檢測出帶有故障隱患的電機還可以繼續(xù)使用，對于部分規(guī)模小，以性價比為依據(jù)，維修模式還停留在事后維修的廠礦企業(yè)，并未將電特性檢測作為電機評判的手段。但是，在艦艇上電機必須時刻保持良好狀態(tài)以便隨時投入戰(zhàn)斗，軍事效益遠大于經(jīng)濟效益的情況下，對電機開展預防性維修，電特性檢測是必不可少的。

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