艦艇中頻發電機組的故障診斷

鄭小榮，李紅江，高海林

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艦艇中頻發電機組的故障診斷

鄭小榮1，李紅江2，高海林2

（1. 92957部隊，浙江舟山 316000; 2. 海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

本文主要介紹運用電機電路分析（MCA）技術，使用電機故障檢測儀測量中頻電機轉子阻抗、倍頻、絕緣等參數，通過與原始數據或相同型號電機數據對比等方法，監測電機狀態。以及探討紅外熱成像、電機電流信號分析（MCSA）方法在中頻發電機組故障診斷中的綜合運用，提出檢測中頻電機故障的新方法。

中頻機組 故障診斷技術 電機電路分析（MCA） 紅外熱成像 電機電流信號分析（MCSA）

0 引言

中頻機組在艦艇上主要用于為各武備系統提供中頻電源，是艦艇武備系統中的關鍵設備，其輸出電壓的穩定關系到各系統能否正常工作。某型艦艇在使用過程中經常發現中頻機組輸出電壓過低，甚至燒毀電機的現象,因此查找出故障的原因、監測電機的狀況并及時預報故障，關系到該艦整個作戰系統的正常使用。在工作中我們根據艦艇中頻機組結構的特點，利用電機故障檢測儀使用電機電路方法進行全面質量監控、故障診斷及預知維修，取得很好的效果。同時為了克服這種方法的局限性，提出綜合利用紅外熱成像技術和電機電流信號分析（MCSA）技術進行故障診斷的方法。

1 電機電路分析方法在中頻發電機組故障監測中的應用

電機故障檢測儀是目前已在廣為使用的一種智能化測試儀，能快速自動測試電機三相繞組的全部參數，利用電機電路分析方法（MCA），快速準確的判斷定、轉子故障的程度，診斷微小的匝間短路，具有很高的實用價值。

1.1電機繞組故障特性與測試原理

電機的故障往往始于電機內部繞組品質變化。由于長期運行或過載，特別是頻繁地啟動及反向，過電流產生的熱量使繞組的絕緣層發生質變，造成初期局部的匝間短路或對地短路，當短路越發嚴重時，將導致電機的燒損[1]。

電機故障檢測儀的最大特點就是采用低壓、高頻的交流測試信號，它的核心就是分析電機發生故障時和的變化對比關系。根據電機電路分析方法，電機一相繞組在交變電流下阻抗為公式（1）：

Z=Z+Z=R+jωL （1）

由于采用高頻Z增加了幾倍或幾十倍，而Z不變，這樣就增加了Z對Z的比率，甚至使>>R，更加突出了電感在阻抗中所占的比重，使得任何微小的變化也能顯著的表現出來。基于此，在實際工作中我們通常采用下面幾種方法來測試電機繞組的故障：

A. 定子三相平衡測試—電流對比法

三相平衡是指三相電機各相阻抗的平衡。電機故障檢測儀對于三相平衡的測試，是利用內部電池供電的恒壓源分別測試三個繞組，設定某一相結果（電流值）為標準0（100%），比較其他兩相上電流的變化量。由于電壓相同的不同將導致的不同，因此電流變化量Δ即為阻抗變化量Δ。實踐中，無論定子繞組接法是“星型”還是“三角型”，當差異超過5%時，電機的性能已大大受損并發熱，必須立即維修或更換。另外由于轉子的互感作用，有故障的轉子會影響測試結果，也就是說轉子繞組互感量的差異會導致測試結果的不平衡。因此這種方法只作為測試的第一步，用于初步檢測電機狀態的好壞，需要用方法二、三來確認故障存在于定子還是轉子[2]。

B. 倍頻測試—匝間短路

頻率加倍后電機電流與頻率的對應關系為公式（2）、（3）：

定義倍頻測試值為，即電流在頻率加倍后的變化量如公式（4）：

純電感電路中，=-50%，電流減少一半。純電阻電路中，=-0%，電流不變。

最初無匝間短路發生的繞組在儀器發出的高頻電流下，>>R，類似于“純電感電路”；當匝間短路發展到最后，幾乎完全失效，繞組類似于“純電阻電路”。也就是說，匝間短路的發展趨勢是使繞組從“純電感電路”向“純電阻電路”的邁進，即值從-50%向-0%的發展趨勢，值直接說明了電感的失效程度，它能夠作為匝間短路程度的判定依據。這種方法已為大量的實踐所驗證，十分可靠。

C. 絕緣測試

對于電機的測試，每次都應包括絕緣測試。我國的標準是普通電機靜態下1000 V測試不小于2 MΩ。一旦低于2 MΩ必須及時處理。

1.2中頻機組故障診斷方法

中頻機組一般由一個同步電動機和一個中頻發電機組合而成。發生故障時首先表現為輸出電壓下降[3]。根據公式（5）、（6）：

=4.441NK11(5)

1=/60 (6)

輸出電壓，與磁通和發電機電流頻率1成正比,也就是與電動機的轉速成正比。引起電壓下降的原因，一個是由于發電機磁通下降，另一個就是電動機的轉速降低，還有一種可能就是發電機定子繞組匝間短路。也就是說無論是電動機還是發電機的繞組發生故障都有可能引起輸出電壓發生變化。由于發電機和電動機都是同步電機，檢測方法基本相同。因此下面主要介紹同步電機的檢測方法。

實踐中我們發現，中頻機組經常是轉子繞組首先發生匝間短路，而且同步電機轉子參數隨角度變化很小。因此在檢測同步電機時,還需同時檢測幾臺相同型號電機轉子參數，通過這些參數比較來判斷故障情況。

1.3診斷實例

在某次任務中某艦發現一臺中頻機組輸出電壓下降。由于該艦是引俄艦艇，該型號電機沒有可比較的參數。因此，在該艦找到幾臺相同型號的電機，提取參數然后進行比較。通過檢測發現電機轉速正常，因此只對發電機的繞組進行測量，測得轉子參數如下表1所示。

表1 轉子參數

從監測數據分析看，設備4中頻機組的轉子阻抗已大大低于正常值，倍頻值也降低，這說明繞組可能已出現嚴重的匝間短路。經拆檢發現設備4中頻機組的轉子確實已存在匝間短路，經上海電機廠對該轉子繞組重新繞制后，再對繞組進行監測，有關數據已恢復正常（阻抗為110 Ω，匝間短路系數為-36%）。機組恢復正常。

2 紅外熱成像技術應用

利用MCA技術只能用于檢測中頻發電機的轉子繞組是否存在匝間短路，因此要全面檢測中頻發電機組的定子繞組和軸承、鐵芯等機械設備，必須綜合運用紅外熱成像技術、振動測試、電機電流信號分析（MCSA）等方法。

紅外診斷技術是設備診斷技術的一種，它是一門不斷迅速發展和不斷完善的前沿學科，它是利用紅外技術來了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其整體和局部是正常或異常，早期發現故障及原因，并能預測故障發展趨勢的技術。紅外熱成像監測技術就是利用紅外熱成像儀檢測設備，然后運用紅外診斷技術對設備進行故障診斷。

與感冒一樣，流感的常見癥狀也是發熱、流鼻涕、咽喉腫痛、咳嗽等，但持續高燒還會引起渾身乏力、肌肉痛、關節痛等癥狀。

2.1紅外監測的原理

構成物質的原子、分子都在作熱運動，并且在不時地改變其能量狀態。當物質由高能量向低能量狀態躍遷時就會輻射電磁波，它以光子的形式將能量帶走。普朗克利用光量子理論導出了紅外輻射能與溫度、波長的關系，從而奠定了紅外監測的理論基礎，即普朗克定律。它說明單位面積的黑體在波長為的單位波長間隔內輻射通量W與其波長和絕對溫度T的關系為：

W=1-5(e2/λT-1)-1W/m2（7）

式中第一輻射常數，1=3.74′10-16W·m2；2=1.44′10-2W·K。

該定律指出任何物體只要它的溫度高于絕對零度，就有熱能轉變的熱輻射向外部發射。物體溫度不同，其輻射的能量不同，且輻射波的波長也不同，但總包含著紅外輻射在內。

2.2 紅外檢測與紅外診斷技術

一臺運轉中的設備，當零部件產生故障時，不論是磨損、疲勞、破裂、變形、腐蝕、剝離、滲漏、堵塞、熔融、材料劣化、和異常震動等等，這些現象的絕大部分都和其溫度的變化相關。因此設備的整體或局部的熱平衡也同樣要受到破壞或影響，通過熱的各種傳播方式，設備內部的熱必然逐步達到其表面，造成溫度場的變化。

利用這些紅外輻射的信息，紅外熱成像儀可以實時顯示物體的紅外熱像圖。從紅外熱像圖中可以清楚的觀測到物體每個部位的溫度。依據紅外熱像圖提供的紅外輻射信息，結合對被診斷設備的結構原理、設計、制造、安裝、運行和維修方面的實踐知識，以及該設備及其零部件過熱失效的機理和熱力學的知識，可以判斷出設備的狀態是否正常，分析故障的原因，并預測故障的發展趨勢[4-6]。

2.3紅外熱成像監測技術在電機故障診斷中的應用

某艦左舵機主油泵電機紅外熱圖如圖1 所示，軸承溫度46.5℃，溫升29℃，比相同型號、類似工況的右舵機主油泵電機大12℃。雖然軸承的溫升沒有達到35℃的最高允許溫升，但相對溫差達41.38%屬于一般缺陷。由于軸溫35.9℃比軸承的溫度還低，而正常運行的電機轉子產生的熱量通過軸承傳遞出來，使得軸溫比軸承的溫度還高，因此判斷軸承存在故障。通過振動檢測，發現軸承沒有存在異常振動，由此可以推斷軸承存在潤滑不良，通過添加潤滑油脂后軸承恢復正常。

圖1 左舵機主油泵電機軸承外熱圖

通過這個例子，可以發現紅外熱成像診斷技術可以用來監測設備是否存在異常的工作情況。因此，我們可以利用紅外熱成像診斷技術輔助電機電路分析（MCA），對中頻發電機進行監測。

3 電機電流信號分析方法在中頻發電機組監測中的應用

由于同步電機定子參數隨轉子角度而變，前面介紹的電模擬法不能用來判斷定子是否存在故障；也不能簡單的通過拿以前的參數進行比較來判斷定子的好壞，必須采用新的方法進行監測。

電機電流信號分析（MCSA）方法是分析電機數據的最新技術。該技術目前在分析鼠籠式電機轉子斷條、軸承故障等方面的應用比較成熟，為現有電機系統的預防性維護提供很多支持。電機電流信號分析（MCSA）方法在發電機故障診斷中的應用，是目前正在研究的前沿科學。

利用MCA技術只能用于檢測電機的轉子繞組是否存在匝間短路，運用紅外熱成像技術只能初步判斷中頻發電機組是否存在不對中或工作異常，不能準確判斷出發生異常的部位。因此，要全面檢測中頻發電機組還必須電機電流信號分析（MCSA）方法，直接測量中頻發電機的輸出電流和電壓是否正常。目前該技術我們正在研究，將在發電機監測領域發揮更大的作用。

例如我們使用電機動態測試儀對發電機勵磁電流和電壓進行監測，發現1號發電機勵磁電流解調后的頻譜如圖2所示，在50 Hz處有很大的峰值，而其他發電機沒有類似現象。而勵磁電壓的波形如圖3所示，具有明顯的方波，這是典型的單相整流橋特征。而2號發電機的勵磁電壓波形如圖4所示，是8伏的直流電壓調制一些較小的交流諧波，這是三相橋式整流系統的電壓波形。比較圖5和圖6可以看出明顯的差別。

圖2 維修前勵磁電流解調后的頻譜圖

圖3 1號發電機勵磁電壓波形圖

圖4 2號發電機勵磁電壓波形圖

經分析認為：機組勵磁電路為三相橋式整流，有6個整流二極管，若其中一個整流二極管存在故障，就可能變為單相橋式整流。

通過使用紅外熱成像儀檢查整流二極管，發現其中兩組正常工作二極管的紅外熱圖如圖5所示。從圖中可以看出，正常工作的二極管都有6℃左右的溫升，而且可以清晰的看出明顯高于環境溫度的二極管形狀。而其中一組二極管則沒有看到明顯的溫升，進一步檢查發現該二極管的接線頭斷裂，更換接線頭后故障排除。

圖5 正常工作二極管的紅外熱圖（側面）

4 結論

從以上分析可知，利用ALL-TEST IV電機故障檢測儀能快速測量出電機繞組的阻抗、倍頻、電角度及絕緣。通過轉子繞組參數比較的方法能夠及時、準確地判斷出艦艇中頻機組的轉子是否存在故障。運用紅外熱成像技術初步判斷中頻發電機組是否存在不對中或軸承工作異常等故障隱患。電機電流信號分析（MCSA）方法，能直接測量中頻發電機的輸出電流和電壓是否正常，分析勵磁系統是否正常工作。綜合運用這些方法在中頻發電機的監測中能夠發現中頻發電機組的所有故障隱患。

參考文獻：

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[4] management of naval equipment.2006 (in Chinese)

[5] 張龍輝. 高壓開關柜光纖溫度實時監測軟件平臺開發[D]. 山東大學, 2013

[6] 譚湛. 紅外成像測溫技術在變電站設備中的應用[J]熱點技術, 2009.

[7] 彭娟. 紅外成像儀在診斷性維修中的應用[J]. 科技創新導報, 2009.

Fault Diagnosis of Medium Frequency Generator Set

Zheng Xiaorong1, Li Hongjiang2, Gao Hailin2

(1. 92957 Forces, Zhoushan 316000, Zhejiang, China; 2. Naval Univ. of Engineering, Department of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China)

U472.9

A

1003-4862（2016）08-0048-04

2016-03-29

鄭小榮（1972-），男，高級工程師。研究方向：艦艇機電設備故障診斷。