李鵬，劉燁

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 浙江 310030；2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300452）

三相異步電動(dòng)機(jī)在各行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，但在使用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障而損壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，故準(zhǔn)確分析電動(dòng)機(jī)故障有重要的意義。電動(dòng)機(jī)故障主要分為定子、轉(zhuǎn)子及負(fù)載(機(jī)械部分)故障3類，而定子故障中主要包括定子偏心和定子繞組松動(dòng)故障，是影響電動(dòng)機(jī)使用壽命的主要原因之一。如果能夠針對(duì)電動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行早期診斷，及時(shí)排除故障隱患，可大大降低由電動(dòng)機(jī)故障給企業(yè)生產(chǎn)所造成的影響。本文詳細(xì)闡述了基于振動(dòng)頻譜分析技術(shù)的一起定子冷卻水泵電機(jī)定子繞組松動(dòng)故障檢測(cè)以及故障分析診斷過程，進(jìn)而總結(jié)了電機(jī)定子繞組松動(dòng)故障診斷的故障特征及分析方法，對(duì)電機(jī)定子故障診斷具有參考和指導(dǎo)意義。

1 故障發(fā)現(xiàn)與初步診斷

某電廠發(fā)電機(jī)組采用2臺(tái)常州市武進(jìn)泵業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的臥式單級(jí)離心泵，電機(jī)為安徽皖南電機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)為YE4-250M-2臥式電機(jī)，極數(shù)2，額定功率55kW，額定電壓380V，額定電流97.3A，額定轉(zhuǎn)速2980rpm。

該電廠1B#定子冷卻水泵在運(yùn)行過程中電機(jī)驅(qū)動(dòng)端附近存在較大振動(dòng)，2020年12月3日振動(dòng)通頻值5.49mm/s，超出報(bào)警值，通頻值在垂直和水平方向均較高，振動(dòng)值見表1。

表1 1B#定子冷卻水泵振動(dòng)通頻值

2 精密診斷分析方法及過程

2.1 基于振動(dòng)頻譜特征的電機(jī)定子偏心或定子繞組松動(dòng)故障診斷分析

對(duì)該泵振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，在定子冷卻水泵振動(dòng)頻譜上主要頻率成分疑似為轉(zhuǎn)子兩倍頻振動(dòng)，振動(dòng)速度有效值達(dá)5mm/s RMS，泵測(cè)振動(dòng)值較低。振動(dòng)頻譜見圖1。

圖1 定子冷卻水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端頻譜

將泵聯(lián)軸器解列、電機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過測(cè)試，振動(dòng)值依然超標(biāo)，且頻譜圖顯示其振動(dòng)主要頻率成分仍然疑似為轉(zhuǎn)子2倍頻。據(jù)此初步判定泵組振動(dòng)異常主要是電機(jī)的原因。因電機(jī)為2極交流電機(jī)，其轉(zhuǎn)子2倍頻（2X=99.3Hz）和2倍交流電頻率（2LF=100Hz）非常接近，可以通過電機(jī)斷電試驗(yàn)或采用高分辨率儀器頻譜進(jìn)行辨別。

為確定該頻率成分，對(duì)電機(jī)進(jìn)行斷電試驗(yàn)。通過斷電試驗(yàn)可見，斷電瞬間疑似為轉(zhuǎn)子2倍頻處的高幅振動(dòng)立即消失，排除電機(jī)機(jī)械安裝等故障，驗(yàn)證疑似的100Hz主要頻率分量實(shí)際為2倍交流電頻率。

電機(jī)出現(xiàn)2倍交流電頻率一般主要有以下幾種原因：一是外部因素造成的地腳“軟腳”，可導(dǎo)致在鎖緊地腳螺栓過程中電機(jī)殼體變形致定子偏心；電機(jī)在設(shè)計(jì)制造過程中的缺陷或者運(yùn)行中發(fā)生缺陷導(dǎo)致定子偏心或定子繞組松動(dòng)；進(jìn)一步測(cè)試：對(duì)電機(jī)地腳螺栓進(jìn)行松開和緊固測(cè)試，可見2倍交流電頻率幅值變化輕微，故基本排除電機(jī)存在軟腳的可能。

2.2 綜合診斷結(jié)論

通過振動(dòng)頻譜等技術(shù)綜合分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況最終判斷1B#定子冷卻水泵電機(jī)存在定子偏心或定子繞組松動(dòng)故障問題，建議盡快安排設(shè)備返廠檢修或更換電機(jī)。電廠對(duì)電機(jī)進(jìn)行了更換，更換后設(shè)備振動(dòng)水平恢復(fù)正常。

3 電機(jī)定子偏心或定子繞組松動(dòng)故障診斷總結(jié)

電機(jī)與其他所有機(jī)器設(shè)備一樣，在運(yùn)行過程中有能量、熱量、磨損、振動(dòng)等各種物理化學(xué)參數(shù)的傳遞和變化，這些信息變化直接和間接地反映出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而振動(dòng)信息（位移、速度。加速度）能夠敏感地反映電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，利用振動(dòng)診斷法可以有效地診斷出電機(jī)的故障。作為精密診斷，一般采用振動(dòng)傳感器獲取電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)信息，并用頻譜分析對(duì)這些信息進(jìn)行分析和處理，通過狀態(tài)信息中分離的與故障直接有關(guān)的信息，以確定電機(jī)故障的狀態(tài)和部位。

電機(jī)定子電磁振動(dòng)異常原因：定子三相磁場(chǎng)不對(duì)稱；定子偏心或定子繞組松動(dòng)，將使定子電磁振動(dòng)和電磁噪聲加大，在這種情況下，振動(dòng)頻譜圖中，電磁振動(dòng)除了2LF的基本成分外，有時(shí)還可以出現(xiàn)4LF、6LF、8LF的諧波成分；電動(dòng)機(jī)機(jī)座地腳松動(dòng)，其結(jié)果相當(dāng)于機(jī)座剛度降低，是電動(dòng)機(jī)在接近2f的頻率范圍發(fā)生共振，因而使定子振動(dòng)增大，結(jié)果產(chǎn)生異常振動(dòng)。典型定子偏心或定子繞組松動(dòng)的頻譜特征見圖2。

圖2 典型定子偏心或定子繞組松動(dòng)的頻譜特征

一般來說，電機(jī)定子偏心或定子繞組松動(dòng)振動(dòng)特征如下：（1）振動(dòng)頻率為電源頻率的2倍；（2）切斷電源，電磁振動(dòng)立即消失；（3）振動(dòng)可在定子機(jī)座和軸承上測(cè)量；（4）振動(dòng)大小和機(jī)座剛度和電機(jī)負(fù)載有關(guān)。（5）定子偏心產(chǎn)生不均勻的氣隙，其振動(dòng)的單向性非常明顯。

通過振動(dòng)頻譜精密診斷電機(jī)電磁振動(dòng)故障時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分軸承磨損、聯(lián)軸器不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡等非電氣類故障，生產(chǎn)實(shí)際中電機(jī)也很有可能同時(shí)存在多種故障，靈活運(yùn)用振動(dòng)頻譜分析方法，并結(jié)合設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，不僅能夠準(zhǔn)確判別故障類別，還能夠提高故障判別的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

實(shí)際工程運(yùn)用中有大量采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備。三相異步電動(dòng)機(jī)的保障多種多樣，產(chǎn)生原因也很復(fù)雜，而繞組是電動(dòng)機(jī)的心臟部位，是最容易損壞而造成故障的部件。因此，及時(shí)判斷繞組的故障原因并進(jìn)行相應(yīng)的處理，是防止故障擴(kuò)大、保證設(shè)備正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。如本文中的定子冷卻水泵為發(fā)電企業(yè)重要輔機(jī)，一旦停運(yùn)損失較大。因該類電機(jī)故障，大部分發(fā)電企業(yè)自身不具備修復(fù)能力，必須返廠檢修，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電磁振動(dòng)的進(jìn)行的有預(yù)見性分析，可以準(zhǔn)確地識(shí)別電機(jī)故障征兆，對(duì)故障發(fā)展趨勢(shì)作出更準(zhǔn)確判斷，從而減少了事故停機(jī)帶來的損失。通過精密診斷振動(dòng)頻譜診斷技術(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地診斷出設(shè)備故障，避免了一次設(shè)備二類障礙的發(fā)生，有利于及時(shí)制定檢修計(jì)劃，保障機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。