朱亞平，萬兵，袁志剛

1 引言

在水泥工廠中，電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，故障類型不易判斷，難以采取有針對(duì)性的預(yù)防性維護(hù)措施，對(duì)安全生產(chǎn)提出了巨大挑戰(zhàn)。

目前，水泥廠大多通過設(shè)置繼電器的方式來保護(hù)電機(jī)。繼電器的工作原理是，若電機(jī)運(yùn)行參數(shù)值超過了繼電器的設(shè)定值，繼電器就會(huì)發(fā)出警報(bào)；當(dāng)繼電器發(fā)出警報(bào)繼而影響電機(jī)安全時(shí)，切斷控制回路，停止電機(jī)運(yùn)行，避免電機(jī)運(yùn)行故障發(fā)展擴(kuò)大成為生產(chǎn)事故[1]。此種保護(hù)方式看似完備，但繼電器并沒有預(yù)警功能，繼電器發(fā)出警報(bào)時(shí)，電機(jī)故障已經(jīng)發(fā)生，繼電器的設(shè)置只能作為電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的最后一道防線，防止重大事故或?yàn)?zāi)難性事故的發(fā)生。實(shí)際生產(chǎn)中，大型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)突然斷電或停止運(yùn)行，往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，若無法及時(shí)在電機(jī)斷電或停止運(yùn)行前發(fā)出預(yù)警并有效排除設(shè)備故障，設(shè)置再多的繼電器也難以達(dá)到設(shè)備安全運(yùn)行的目的。

上世紀(jì)90 年代初以來，我國電機(jī)故障診斷技術(shù)理論與方法不斷發(fā)展完善，陳景琳[2]將振動(dòng)傳感器安裝于鋼化箱結(jié)構(gòu)內(nèi)，物理消除噪聲以提高振動(dòng)信號(hào)收集效率；陶志成[3]采集電信號(hào)特征，分析并識(shí)別旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障類型，但未能對(duì)電流電壓頻譜進(jìn)行分析，以獲取更多信息；孫文星等[4]通過快速分類所提取的脈沖信號(hào)，能夠在線監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)故障放電。但上述這些方法依然存在電機(jī)故障診斷手段單一、故障類型判斷不明、特征提取方法受限等問題，制約著電機(jī)故障快速診斷技術(shù)的發(fā)展。

鑒于此，我們建立了以電信號(hào)特征分析（Electric Signal Analysis，ESA）為基礎(chǔ)的ESA 電機(jī)故障快速診斷技術(shù)平臺(tái)。通過平臺(tái)，能夠抓取電機(jī)運(yùn)行過程中的電壓、電流信號(hào)，并在平臺(tái)進(jìn)行解析，生成時(shí)域與頻域特征頻譜圖，進(jìn)而獲取特征峰值，評(píng)估電機(jī)健康運(yùn)行狀況。實(shí)踐證明，電機(jī)故障快速診斷技術(shù)平臺(tái)具有較好的檢測(cè)效果。

2 ESA電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)的搭建

2.1 ESA電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)的構(gòu)成

ESA 電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)主要包含硬件與軟件兩部分，如圖1 所示。硬件主要由測(cè)試儀表、電流互感器、電壓互感器、接地電纜和各項(xiàng)線材組成。軟件則分為PSM數(shù)據(jù)采集軟件與All-Test-Pro分析軟件。其中，數(shù)據(jù)采集軟件用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的在線收集和采集數(shù)據(jù)的過程校正，通過對(duì)功率因數(shù)的確認(rèn)，保證電流與電壓的夾角表現(xiàn)為感性負(fù)載，且每個(gè)完整采集過程包含兩次數(shù)據(jù)采集；分析軟件則用于電機(jī)電流與電壓數(shù)據(jù)的后端分析，分析內(nèi)容包含電流、電壓的時(shí)域與頻域的特征頻譜。硬件與軟件組合構(gòu)成了電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)，通過對(duì)電機(jī)數(shù)據(jù)的采集與整理，進(jìn)一步分析電機(jī)健康運(yùn)行狀況，最終給出電機(jī)的預(yù)防性維護(hù)建議。

圖1 ESA電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)示意

2.2 電機(jī)故障的分析

電機(jī)常見故障主要包括：轉(zhuǎn)子斷條、定子繞組絕緣缺陷、軸承缺陷、電機(jī)偏心、電機(jī)繞組匝間短路、電能質(zhì)量偏差等。其中，軸承缺陷類型多，問題復(fù)雜，不作為本次研究對(duì)象。

（1）轉(zhuǎn)子斷條

電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障主要表現(xiàn)為，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂或端環(huán)斷裂引起的電機(jī)轉(zhuǎn)子故障，其主要由導(dǎo)條與端環(huán)所承受的高溫、電流超過限定值及電機(jī)本身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定引起。

繞組的磁動(dòng)勢(shì)主要由繞組匝數(shù)、電流、角頻率及電機(jī)級(jí)數(shù)決定，若電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生斷條，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)必然發(fā)生變化，定子磁動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生兩倍轉(zhuǎn)差率的差異。

假設(shè)電機(jī)極數(shù)為2，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與定子磁動(dòng)勢(shì)間的相互平衡，定子磁動(dòng)勢(shì)可表示為：

式中：

Ks——繞組系數(shù)相關(guān)常數(shù)

Ns——定子繞組每相匝數(shù)

Is——定子電流，A

ω——供電電源角頻率，rad/s

θ——起始相位角，rad

在式（1）第二項(xiàng)中，存在一個(gè)比基波頻率低2sω的頻率分量，將導(dǎo)致定子電流中產(chǎn)生特征頻率分量。由此可見，定子電流將會(huì)出現(xiàn)基頻f與（1-2s）f的成分，（1-2s）f即為轉(zhuǎn)子斷條的特征頻率，而由于轉(zhuǎn)子振蕩的關(guān)系，異步感應(yīng)電機(jī)的定子電流也會(huì)產(chǎn)生（1+2s）f的分量。圖2 即為轉(zhuǎn)子不平衡的典型特征頻譜，亦為判斷轉(zhuǎn)子故障的依據(jù)。

圖2 轉(zhuǎn)子斷條故障特征頻譜

一般情況下，電機(jī)定子電流只存在基波頻率的成分。但當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不平衡故障時(shí)，以電流解調(diào)譜可以分析得到與基頻相差兩倍轉(zhuǎn)差率的邊頻成分，可以作為轉(zhuǎn)子斷條的特征頻譜，也是判斷轉(zhuǎn)子故障的依據(jù)。

（2）定子繞組絕緣缺陷

當(dāng)電機(jī)定子繞組因絕緣破壞發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)電信號(hào)將存在異?，F(xiàn)象，氣隙中的磁路也會(huì)有較大影響。當(dāng)電機(jī)定子繞組發(fā)生短路的匝數(shù)較少時(shí)，電機(jī)運(yùn)行中電信號(hào)異常特征表現(xiàn)不明顯；而當(dāng)其發(fā)生短路的匝數(shù)越來越多時(shí)，電信號(hào)異常特征表現(xiàn)將越來越明顯，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能造成繞組甚至鐵芯燒毀。在相同的電壓條件下，電機(jī)電流不同是因阻抗不同產(chǎn)生的，而阻抗發(fā)生變化是定子繞組絕緣破壞造成的。雖然不同的設(shè)備，電機(jī)繞組可能有不同的接線方法，但繞組絕緣的破壞都體現(xiàn)在電流的不同上。以其中一相電流為標(biāo)準(zhǔn)，比較其他兩相電流的變化量，是電機(jī)定子繞組絕緣缺陷的主要判斷依據(jù)。由于電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)采用了高頻信號(hào)，少量的電流變化就會(huì)被放大幾十倍，儀器的測(cè)量精度較高。

（3）電機(jī)偏心

電機(jī)偏心多是由日常維護(hù)中工序的偏差、運(yùn)行中的負(fù)載不穩(wěn)定、軸承及軸彎曲等問題引起的。電機(jī)偏心將導(dǎo)致氣隙周期性偏心變化。氣隙偏心可以分成靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心。靜態(tài)偏心指轉(zhuǎn)子偏離定子中心，而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)中心未變；動(dòng)態(tài)偏心指轉(zhuǎn)子除了自轉(zhuǎn)外，還圍繞著定子中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)。靜態(tài)偏心與動(dòng)態(tài)偏心的主要區(qū)別在于兩者最小氣隙與橫軸間的角度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)不同。

進(jìn)一步得到電流諧波成分的方程式，其特征頻率表示為：

式中：

Zr——轉(zhuǎn)子槽數(shù)

nd——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，動(dòng)態(tài)偏心時(shí)為“1”，靜態(tài)偏心時(shí)為“0”

s——轉(zhuǎn)差率

p——極對(duì)數(shù)

nw——諧波次數(shù)，1，3，5，…

（4）電機(jī)繞組匝間短路

對(duì)電機(jī)進(jìn)行倍頻測(cè)試。測(cè)試時(shí)，無匝間短路發(fā)生的繞組，在儀器發(fā)出的高頻電流作用下，頻率與電感乘積遠(yuǎn)大于電阻，類似于“純電感電路”；當(dāng)匝間短路發(fā)展到最嚴(yán)重程度，感抗幾乎完全失效，繞組類似于“純電阻電路”。也就是說，匝間短路的發(fā)展趨勢(shì)是使繞組從“純電感電路”步入“純電阻電路”，倍頻值的變化值是從-50%向零點(diǎn)發(fā)展變化的。

由于電阻的存在，無匝間短路發(fā)生的繞組在最初只是接近于“純電感電路”，倍頻值的變化值接近-50%，一般在-30%~-50%之間。隨著匝間短路的發(fā)展，電感量所占比重越接近零點(diǎn)，電機(jī)繞組的導(dǎo)電性能越差，匝間絕緣越趨于“無”。

倍頻值直接體現(xiàn)了電感的失效程度，倍頻測(cè)試可以作為匝間短路程度的判定依據(jù)。此種方法已經(jīng)大量實(shí)踐驗(yàn)證，十分可靠。

（5）電能質(zhì)量偏差

電能的質(zhì)量判斷主要是通過波形分析來進(jìn)行的。電壓信號(hào)主要診斷指標(biāo)為電壓偏差因子VDF、相電壓、相電壓峰值、三相平均電壓、峰值因子CF、三相電壓平衡情況；電流信號(hào)主要診斷指標(biāo)為變壓器諧波衰減因子THDF、電流偏差ΔI、峰值因子CF；諧波監(jiān)測(cè)主要診斷指標(biāo)為奇波THD＞5%、正序諧波（+ve seq：4，7，10……）＞5%、逆序諧波（-ve seq：2，5，8……）＞5%、零序諧波（0 seq：3，6，9……）＞5%。

3 ESA電機(jī)故障診斷技術(shù)應(yīng)用

3.1 電機(jī)參數(shù)

采取ESA 電機(jī)故障診斷技術(shù)分別對(duì)宜昌A 廠250kW、景洪B 廠1 600kW 兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)銘牌參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)銘牌參數(shù)表

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

利用ATPOLII 信號(hào)采集設(shè)備和設(shè)備搭載的All-Test-Pro 數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)電機(jī)采集信號(hào)進(jìn)行提取與分析。

（1）收集宜昌A廠2號(hào)水泥磨排風(fēng)機(jī)電機(jī)電信號(hào)，提取軟件分析電流解調(diào)譜圖，如圖3所示。

電機(jī)定子電流頻率主要為基波頻率50Hz，電流基波頻率正常。由圖3電流解調(diào)圖譜可見，在基波頻率LF±2sf的兩側(cè)邊頻帶均出現(xiàn)了明顯峰值，在49.21Hz時(shí)，峰值表現(xiàn)為-36.08dB，在50.79Hz時(shí)，峰值表現(xiàn)為-37.23dB。而通過電機(jī)參數(shù)計(jì)算2sf=2×（1 500-1 488）/1 500×50=0.8Hz，對(duì)應(yīng)邊頻轉(zhuǎn)子斷條特征頻率分別為49.2Hz和50.8Hz。數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，電機(jī)轉(zhuǎn)子存在明顯的導(dǎo)條斷裂或端環(huán)斷裂。值得說明的是，特征頻率所在位置的峰值幅值越大，則電機(jī)轉(zhuǎn)子的健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果越差。

圖3 宜昌A廠電流解調(diào)譜圖

后續(xù)在電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)抽芯檢查中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條端部有3處明顯斷裂，如圖4所示，內(nèi)側(cè)有明顯放電燒黑現(xiàn)象，此結(jié)果與ESA技術(shù)評(píng)估結(jié)論基本吻合。

圖4 宜昌A廠250kW電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條開裂圖

（2）收集景洪B 廠2 號(hào)水泥磨球磨電機(jī)信號(hào)，所提取的電流解調(diào)譜圖如圖5所示，終端軟件自動(dòng)分析結(jié)果如表2所示。

表2 電機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告

從圖5 可以看出，在fecc=113.51Hz 時(shí)，出現(xiàn)峰值-58.47dB，而在邊頻帶上峰值沒有超過-40dB，電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)為66，極對(duì)數(shù)為4，靜態(tài)偏心nd為0，故障特征頻率為：

由式（3）可以判定電機(jī)故障為靜態(tài)偏心。在靜態(tài)偏心的電機(jī)時(shí)域電流頻譜圖中，不同間隔下的邊頻峰值呈倒三角，如圖5 中的虛線三角形所示；而在轉(zhuǎn)子斷條的電機(jī)時(shí)域電流頻譜圖中邊頻峰值則呈正三角，如圖3中的虛線三角形所示。

圖5 景洪B廠1 600kW電機(jī)電流解調(diào)譜

在后續(xù)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)中，抽芯檢查發(fā)現(xiàn)該電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯“掃膛”現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，無載軸承座絕緣瓦墊脫落，如圖6 所示，基本驗(yàn)證了電機(jī)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果。

圖6 景洪B廠球磨電機(jī)軸承座絕緣瓦墊脫落

4 結(jié)語

（1）在電流解調(diào)譜中，從基波頻率LF±2sf的范圍中獲取邊頻峰值信息，宜昌A 廠排風(fēng)機(jī)電機(jī)在49.2Hz 峰值處為-36.08dB，在 50.8Hz 峰值處為-37.23dB，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際比較，符合電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體斷條特征。

（2）通過收集景洪B 廠球磨電機(jī)的信息，獲取電流解調(diào)譜，在113.51Hz 峰值為-58.47dB，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行比較，符合電機(jī)存在靜態(tài)偏心的故障趨勢(shì)。在靜態(tài)偏心的電機(jī)時(shí)域電流頻譜圖中，不同間隔下的邊頻峰值呈現(xiàn)倒三角，而在轉(zhuǎn)子斷條的電機(jī)時(shí)域電流頻譜圖中，峰值則呈正三角。

基于ESA 電機(jī)故障診斷技術(shù)平臺(tái)對(duì)異步感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和評(píng)估，可進(jìn)一步得知其故障發(fā)展的變化趨勢(shì)，從而擬定具有針對(duì)性的維護(hù)策略，可有效加強(qiáng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的可靠性管理，進(jìn)而大大提高生產(chǎn)效率，減少故障停機(jī)時(shí)間和降低設(shè)備維護(hù)成本，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。