蔣 敏 李金東 周福泉

（國(guó)能大渡河猴子巖發(fā)電有限公司）

0 引言

軸承是電機(jī)的重要組成部分，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。然而，在軸上積累的軸電壓和由此產(chǎn)生的軸電流可能會(huì)損壞軸承，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的電機(jī)故障［1］。因此，軸信號(hào)測(cè)量逐漸被納入大型水輪發(fā)電機(jī)的預(yù)測(cè)性健康檢測(cè)中。其中，通過(guò)對(duì)軸電流的監(jiān)測(cè)進(jìn)行軸承的故障診斷是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩端的電壓差大于軸承油膜的擊穿電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流脈沖，形成軸電流。文獻(xiàn)［2］指出，軸電壓的產(chǎn)生主要分為兩個(gè)方面。一方面是電壓源逆變器存在一定的共模電壓，通過(guò)電機(jī)內(nèi)部的寄生電容和電感，產(chǎn)生了逆變感應(yīng)軸電流；另一方面是電機(jī)內(nèi)部磁鏈存在不平衡和不對(duì)稱，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上感應(yīng)出軸電壓。軸電流會(huì)腐蝕軸承金屬表面，降低軸承可靠性，縮短軸承壽命，顯著影響電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此需要對(duì)軸電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在電機(jī)軸電流監(jiān)測(cè)方面，通常會(huì)在軸的附近安裝一個(gè)羅氏線圈。若想監(jiān)測(cè)高頻軸電流，需要將羅氏線圈放置在電機(jī)內(nèi)部［3］。這會(huì)使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，且不容易安裝。因此，目前研究趨勢(shì)是采用非侵入式的射頻測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)高頻放電軸承電流［4］。然而，這種方法僅能監(jiān)測(cè)高頻軸電流。電機(jī)對(duì)地的軸電流是無(wú)法監(jiān)測(cè)的。

因此，本文在對(duì)軸電流詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出采用多維特征融合的電機(jī)軸電流在線監(jiān)測(cè)策略，提高軸電流的檢測(cè)精度。

1 有電壓源逆變器運(yùn)行時(shí)的軸電流

當(dāng)電機(jī)在電壓源逆變器控制下運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生逆變感應(yīng)軸電流。此時(shí)，可以將軸電流分為環(huán)路軸電流和非環(huán)路軸電流，并將逆變器感應(yīng)軸電流分為以下四種主要類(lèi)型，如圖1所示。

圖1 軸電流的可能路徑

1）小電容高頻軸電流（≈5-200mA）。屬于非環(huán)路軸電流，其主要在電機(jī)低速時(shí)出現(xiàn)。與其他類(lèi)型的軸電流相比，其影響可以被忽略。

2）放電加工（Elеctric Dischаrgе Mаchining，EDM）軸電流，屬于非環(huán)路軸電流。軸電壓與共模電壓的比值稱為軸承分壓比（Bеаring Voltаgе Rаtio，BVR），當(dāng)作用在軸承上的電壓比較大時(shí)（即軸承分壓比較大），會(huì)給軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑油充電，直到超過(guò)其所能承受的最高電壓，導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑油膜擊穿，同時(shí)出現(xiàn)以兆赫頻率振蕩的EDM電流脈沖（≈0.5-3A）。

3）高頻（High Frеquеncy，HF）環(huán)路軸電流。電機(jī)端子處較大的dV/dt作用在定子繞組和定子機(jī)殼之間的寄生電容上，會(huì)產(chǎn)生高頻電流。高頻電流在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的周?chē)a(chǎn)生圓形磁通，進(jìn)而感應(yīng)出軸電壓。如果潤(rùn)滑油膜破裂，高頻電流（≈0.5-20A）在“定子鐵心-驅(qū)動(dòng)端軸承-轉(zhuǎn)子軸-非驅(qū)動(dòng)端軸承”回路中循環(huán)，頻率為100kHz。這種類(lèi)型的軸電流是由于電感耦合，它反映了共模電流。

4）轉(zhuǎn)子對(duì)地軸電流。屬于環(huán)路軸電流，如果轉(zhuǎn)子對(duì)地阻抗低于定子對(duì)地阻抗，則會(huì)發(fā)生這種情況。此時(shí)，一部分接地電流會(huì)穿過(guò)軸承，流向電機(jī)轉(zhuǎn)軸。這部分電流可以達(dá)到很高的幅值（≈1-35A），并損壞軸承。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的研究，功率在20kW以下的小型電機(jī)對(duì)EDM軸電流更敏感，而較大功率的電機(jī)則更容易受到循環(huán)軸電流的影響。

根據(jù)軸電流的不同類(lèi)型，軸承具有兩種電氣模式：非環(huán)路軸電流的電容模式和環(huán)路軸電流的電阻模式。根據(jù)軸承溫度和轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，軸承可以從純電阻模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧冸娙菽Ｊ健?/p>

EDM電流產(chǎn)生于軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油薄膜和高軸承電壓。這些電流是軸承寄生電容、潤(rùn)滑油膜厚度和擊穿前軸承電壓的函數(shù)。此外，這些參數(shù)與軸承溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承載荷有關(guān)。環(huán)路電流主要出現(xiàn)在低速和高軸承溫度下，在這種情況下，軸承油膜會(huì)變薄，從而使得滾道和滾動(dòng)元件之間產(chǎn)生電阻接觸。因此，在某些工況下，電機(jī)軸承可以在電容模式和電阻模式之間隨機(jī)交替。

除此之外，在軸頸油潤(rùn)滑軸承的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生電感和電容源的“組合”軸電流。文獻(xiàn)［6］通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)由于ⅠGBT逆變器導(dǎo)致的高頻軸電流會(huì)加速軸承故障的速率，比沒(méi)有ⅠGBT逆變器供電的電機(jī)系統(tǒng)軸承故障速率快7倍。同時(shí)，高頻軸電流在軸承的表面上產(chǎn)生峰值能量速率與低頻軸電流情況相反，其電流能量更均勻地分布在軸承表面。

2 軸電流數(shù)學(xué)模型

軸電流產(chǎn)生的根本原因是高頻共模電壓和電機(jī)內(nèi)部存在著雜散電容。同時(shí)，電機(jī)在高頻時(shí)主要表現(xiàn)為電容性。因此，可以建立共模電壓與電容網(wǎng)絡(luò)模型。

當(dāng)沒(méi)有EDM放電事件發(fā)生時(shí)，可以認(rèn)為軸電壓Vb是定子繞組到大地的共模電壓Vcom在寄生電容上的分壓，如圖2所示。其中，Cwr是定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心間的耦合電容，Crf是轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心間的耦合電容，軸承寄生電容Cb，DE≈Cb，NDE。BVR可以通過(guò)測(cè)量或計(jì)算高頻寄生電容來(lái)確定。因此，可以用BVR和共模電壓確定軸承電壓。BVR是HF放電承載電流概率的第一個(gè)指標(biāo)，計(jì)算方法為：

圖2 用于估算軸承分壓比的等效電路模型

在這一模型的基礎(chǔ)上，可以更進(jìn)一步地從性質(zhì)上對(duì)影響軸電壓和軸電流的主要因素進(jìn)行分析。EDM軸電流可以通過(guò)擊穿前閾值電壓的估計(jì)和軸承電阻的估計(jì)得出。在分析潤(rùn)滑油膜的擊穿過(guò)程可以通過(guò)添加控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行建模，如圖3所示。當(dāng)軸承電壓超過(guò)估計(jì)的閾值電壓（1.5-30V）時(shí)，開(kāi)關(guān)k1斷開(kāi)，k2導(dǎo)通。

圖3 考慮油膜擊穿的等效電路模型

由軸電流模型可知，電流通過(guò)定子繞組進(jìn)入，通過(guò)定子繞組和轉(zhuǎn)子鐵心間的耦合電容Cwr泄漏，并通過(guò)接地連接離開(kāi)電機(jī)。由于趨膚效應(yīng)，共模電流在定子疊片表面流動(dòng)，會(huì)在沿電機(jī)軸方向產(chǎn)生電壓。如果該電壓高到足以擊穿潤(rùn)滑油膜，則軸承電流在“定子鐵心-驅(qū)動(dòng)端軸承-轉(zhuǎn)子軸-非驅(qū)動(dòng)端軸承”的回路中循環(huán)。另外，感應(yīng)軸電壓會(huì)隨電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的變大而增加，從而解釋了大型發(fā)電機(jī)中環(huán)路軸電流幅值的增加。

3 軸電流的多維特征融合檢測(cè)策略

3.1 基于射頻信號(hào)的EDM軸電流監(jiān)測(cè)

可以通過(guò)射頻（Rаdio Frеquеncy，RF）測(cè)量來(lái)檢測(cè)高頻放電軸電流。該方法假定高頻放電電流脈沖在電機(jī)附近會(huì)發(fā)射其能量的一部分。通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)超過(guò)某一閾值的輻射脈沖數(shù)量，從而評(píng)估軸承對(duì)高頻放電電流的健康狀況。

由軸電流的模型可知，共模電壓在放電前會(huì)對(duì)Crf、Cb，DE和Cb，NDE電容進(jìn)行充電。存儲(chǔ)在這些電容中并在放電過(guò)程中釋放的能量Ec可以表示為：

在軸承放電期間，釋放的能量Ec的一部分通過(guò)電動(dòng)機(jī)外部的RF輻射出去。軸承放電的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。電容與定子鐵心和轉(zhuǎn)子電感Lf、Lr一起形成振蕩電路，為作為無(wú)線電天線運(yùn)行的電機(jī)提供電源。當(dāng)軸承放電時(shí)，振蕩電路被激活。

圖4 軸承放電時(shí)的等效電路模型

軸承放電脈沖的波形與局部放電（Pаrtiаl Dischаrgе，PD）電流脈沖的波形非常相似。放電電流脈沖可以用高斯函數(shù)進(jìn)行建模，如式（3）所示。

式中，ipeak和σ分別是最大電流幅度和脈沖寬度。通過(guò)傅里葉變換可得發(fā)射的功率譜密度Ptx可以表示為：

式中，c表示光在真空中的速度，f表示頻率。根據(jù)上述功率譜密度模型可以估計(jì)軸承放電電流脈沖。

然而也要考慮到軸承放電脈沖中只有一小部分能量可以輻射，這既是因?yàn)榇蟛糠帜芰吭谳S承內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量，也是因?yàn)殡姍C(jī)不是理想的天線。

3.2 基于羅氏線圈的軸電流監(jiān)測(cè)

如圖1所示，可以將羅氏線圈夾緊在軸承座外的電機(jī)軸周?chē)?，此方法不能測(cè)量高頻循環(huán)軸承電流，因?yàn)檩S承電流不流經(jīng)軸的這些部分。該方法的軸電流是直接測(cè)量的，電流路徑中不引入額外的阻抗，因此測(cè)量精度較高。然而，這種技術(shù)不適合測(cè)量EDM軸電流。故本文將基于射頻信號(hào)和羅氏線圈測(cè)量的電流信號(hào)結(jié)合，可以提高軸電流的監(jiān)測(cè)精度。基于兩種不同特征量可以監(jiān)測(cè)的軸電流如表1所示。

表1 不同特征量和軸電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了軸電流的主要形式，以及軸電流的主要特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)軸電流進(jìn)行建模，詳細(xì)分析了軸電流的產(chǎn)生機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)EDM軸電流的射頻信號(hào)功率譜密度，以此監(jiān)測(cè)EDM軸電流。為彌補(bǔ)其無(wú)法監(jiān)測(cè)環(huán)路電流的缺點(diǎn)，本文增加對(duì)真實(shí)軸電流信號(hào)的檢測(cè)，提高多種形式的軸電流檢測(cè)精度。