電氣信號分析（ESA）技術(shù)在核電廠電動機故障診斷中的應(yīng)用

摘要：ESA技術(shù)通過采集電動機的電壓和電流參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行分析來判斷電動機的運行狀況，并進行故障診斷，以此來確定檢修方案，從而減少了不必要的檢修，提高檢修效率，節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：電動機；ESA技術(shù)；電氣信號分析技術(shù)；故障診斷；頻譜分析 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP278 文章編號：1009-2374（2015）23-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.027

1 概述

根據(jù)國內(nèi)核電站運行狀況，主要通過對運行設(shè)備進行周期性的檢修再根據(jù)實際情況進行適當?shù)募m正性維修，使得設(shè)備的運行條件得以保持和改善。檢修主要分兩種情況：一種是每個換料周期對需要檢修的設(shè)備進行檢查維護工作；另一種是3～6個換料周期對需要檢修設(shè)備進行解體大修。這樣周期性的檢修一定程度上避免了缺陷設(shè)備的帶病運行，但是對于有些初始運行狀態(tài)良好的設(shè)備，經(jīng)過帶有一定盲目性的檢修后，反而破壞了原有的良好狀態(tài)，造成大量人力、物力的浪費。根據(jù)有關(guān)資料記載，對設(shè)備進行有效的監(jiān)測和診斷，可使設(shè)備維修費減少25%～50%，設(shè)備事故率減少75%，經(jīng)濟效益十分顯著。

2 電氣信號分析（ESA）技術(shù)原理

2.1 ESA技術(shù)原理介紹

ESA的概念是，在電機正常工作情況下，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器，采集電機的電流和電壓信號，分析軟件對采集的信號進行信號調(diào)理并分析調(diào)理的信號，從而識別各種故障。電機三相電壓和電流信號的采集可以直接從一次回路或通過CT在電機控制的二次回路獲得，可在控制中心測試，直接用電流鉗或電壓鉗采集，通過采集的電流和電壓信號對電動機的整體運行情況進行分析。

對于理想的電機，理論上電機的電流信號是一個純50Hz的正弦波，在分析頻譜上只有一個峰值存在，當電機發(fā)生故障時，如轉(zhuǎn)子條斷裂或有高阻連接等，諧波磁通在定子線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流，這些感應(yīng)電流疊加到50Hz的正弦波上，從頻譜圖上看會導(dǎo)致在50Hz峰值附近的極通過邊帶波峰的幅值增加。通過解調(diào)技術(shù)，邊帶可從電源峰值中分離出來，而且清晰可見，不受其他頻率的干擾。幅值波峰越高問題越嚴重。采集的電流和電壓信號，利用快速傅立葉變換，采用計算機分析軟件，可得到各種信號頻率的分布。以下是電氣信號分析技術(shù)的基本規(guī)則：（1）峰值出現(xiàn)在電流譜而非電壓譜，表示電機機械故障；（2）峰值同時出現(xiàn)在電流譜和電壓譜，表示電機電氣故障；（3）供電頻率（線頻）的準差率、邊頻，表示轉(zhuǎn)子狀態(tài)；（4）對于軸承故障，峰值僅出現(xiàn)在電流譜，且存在線頻的非整數(shù)倍與轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍的頻率。下表1為不同故障對應(yīng)的特征頻率關(guān)系。

2.2 ESA技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)電動機監(jiān)測手段主要是通過單獨測量電機的溫度、振動、電流、電壓值，聽電機的運行聲音，現(xiàn)在還出現(xiàn)用超聲波檢測儀器來測量電機的在線運行狀態(tài)并進行判斷，這些測量手段主要是針對電動機某個點進行判斷，方法單一，對技術(shù)人員要求比較高，數(shù)據(jù)分析繁瑣，且每次測量需要攜帶比較多的設(shè)備。而ESA監(jiān)測技術(shù)，很大程度上避免了以上的缺點，表2為傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)和ESA技術(shù)對比表。

通過對比可知，ESA技術(shù)實現(xiàn)了眾多設(shè)備的大多功能，而從現(xiàn)場檢測技術(shù)來說，ESA在線檢測的功能已經(jīng)能滿足設(shè)備檢測需求。

3 ESA技術(shù)在電動機故障特征識別中的應(yīng)用

3.1 電機總體運行情況

電機在運行過程當中，往往會有各種干擾而導(dǎo)致電機運行條件變差，如電源電壓不平衡、三相電流不平衡、電流和電壓諧波分量比例過大等，而電流不平衡和諧波分量情況往往反映了電機本身存在的問題，如匝間短路等問題。而通過檢測這些數(shù)據(jù)可以判斷電機的整體運行狀態(tài)是否健康。

3.2 轉(zhuǎn)子故障診斷分析

在冷卻效果較差時，起動電流產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力較大，當在重載和頻繁啟動情況下，籠條與端環(huán)焊接處是經(jīng)常發(fā)生開焊和斷裂的部位。正常情況下，在電動機運行電流特征中，電動機極通過頻率PPF（滑差×極數(shù)）表現(xiàn)為工頻的邊帶，在FL±PPF處可看到峰值。工頻峰值和極通過頻率邊帶峰值的幅值差是轉(zhuǎn)子條健康的狀態(tài)指標。相關(guān)研究表明這個差大于60dB指示。圖1顯示是頻率為50Hz電動機轉(zhuǎn)子有頻譜狀況，變頻邊帶峰值大于60db，運行狀態(tài)良好。通過監(jiān)測轉(zhuǎn)子的頻譜變化來判斷轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)。

3.3 軸承診斷

對于軸承故障，因軸承支撐轉(zhuǎn)子，軸承故障將引起氣隙長度的變化，如對滾動軸承來說，氣隙在半徑方向發(fā)生變化，其結(jié)果可看作沿兩個方向運行的旋轉(zhuǎn)偏心。軸承故障可通過定子電流特征頻率反映出來，電流特征頻率與電源頻率和振動頻率有關(guān)，振動頻率特征又與軸承結(jié)構(gòu)有關(guān)，可通過相關(guān)參數(shù)計算出來，從而找到振動和電流頻譜之間的關(guān)系。軸承故障主要由于負載過重、潤滑不良、加工裝配質(zhì)量不佳、軸電流、異物進入等原因，引起軸承磨損、腐蝕、碎裂、銹蝕等現(xiàn)象。軸承出現(xiàn)故障后將會引起電動機異常振動。

每種軸承運行中都會使得電流產(chǎn)生一組獨特的特征頻率，當軸承內(nèi)部有缺陷時，特征頻率會發(fā)生畸變，可以通過好的軸承運行頻率的對比來識別軸承問題，并可對軸承劣化趨勢進行分析。在電流頻譜中這些故障頻率峰值的存在指示軸承故障，劣化的程度根據(jù)這些峰值的幅值大小進行評估。如圖2，以下是監(jiān)測到某電機軸承（內(nèi)圈、外圈、保持架）的運行頻率，可定期通過監(jiān)運行頻率的變化來判斷軸承的運行狀態(tài)。

4 ESA技術(shù)在核電廠的運用前景

4.1 加強電動機及系統(tǒng)運行的可靠性

ESA技術(shù)致力于分析電動機運行狀態(tài)，對電動機運行狀況進行一個整體的評價，并通過建立電動機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，形成電動機的運行趨勢分析圖，而據(jù)此判斷故障電動機還能運行多久、是否馬上需要進行檢修、需要提前準備哪些備件，最大化地保證了系統(tǒng)運行的可靠性，減少了一些盲目性檢修帶來的設(shè)備損壞的風險。

4.2 節(jié)約人工及電動機檢修成本

通過ESA技術(shù)分析結(jié)果，判斷電動機的運行狀態(tài)，對一些運行狀態(tài)良好的電機，可以取消相應(yīng)的檢修活動，延長檢修周期。運用ESA技術(shù)可以在正常班組人員的配置上進行定期監(jiān)測即可，無需額外增加人員需求。另外，每次對電機進行檢修都要消耗一定耗材，如密封圈、潤滑油、軸承、清洗劑、電氣擦拭紙等，而這些費用的支出基本和人工費用支出相當。

5 結(jié)語

ESA技術(shù)是一種相對綜合的診斷技術(shù)，它通過在線采集的電流、電壓信號，診斷出電動機在定子、轉(zhuǎn)子及機械方面等存在的問題。該方法使用簡單，對技術(shù)人員無特殊要求，且無需更多的人力物力投入，就可以得到明顯的效果。此技術(shù)在美國、德國等發(fā)達國家的使用已經(jīng)相當普及，如果能在核電廠有效的推廣和使用，定能更好地維護設(shè)備，提高設(shè)備和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，還能減少一定的財力投入。

參考文獻

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作者簡介：王仲恒（1986-），男，浙江三門人，三門核電有限公司工程師，研究方向：電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的運用。

（責任編輯：陳 倩）