異步電動機的狀態監測與故障分析

夏文武，劉德璽

（華能瑞金發電有限責任公司，江西 贛州 341108）

0 引言

狀態檢修是一種先進的設備管理機制，它通過狀態監測對設備狀態進行準確的評價，依據設備的重要程度而采取不同的檢修策略，保證設備安全經濟運行。這種設備管理機制成功的避免了傳統計劃性檢修臨時性維修頻繁、盲目維修、費用損耗大、影響設備運行時間等缺陷，是電力檢修技術發展的必然趨勢。隨著計算機技術、傳感器技術、數字信號處理技術等相關學科的飛速發展以及企業對推進狀態檢修的愈加重視，促進了狀態監測與故障分析領域的進步，科學的執行設備狀態檢修成為可能[1]。

1 異步電動機狀態監測

設備狀態是指設備運行的工況，由設備運行的各種性能參數與設備標準指標的比較值表征。設備的狀態監測是指制定合理的監測計劃，按照計劃通過測量其電氣量、機械量、熱工量等參數并結合歷史數據和工作環境，進行設備工況分析，對設備的運行狀態進行客觀的評價。由于大型異步電動機價格昂貴，其一旦發生故障往往造成整個生產進程的中斷，導致的損失遠超電動機本身。所以做好電動機的運行狀態監測工作，為設備的可靠運行、檢修安排以及后期的故障分析打好基礎，對于企業的可靠經濟生產具有重要的意義[2]。

1.1 異步電動機的狀態監測常用手段

1.1.1 電氣量監測

電氣量（電壓、電流、零序電流等）監測是異步電動機最常見、最直觀、最有效的一種監測方式。在日常生產中，可以通過生產SIS系統觀察設備相關電氣量的數值和歷史趨勢。在實際生產現場中，重要的電動機設備都會投入電流速斷保護、過流保護、低電壓保護、零序電流保護、差動保護作用于跳閘，過負荷保護等作用于報警，當設備發生相應的異常或故障后都會在測控保護裝置中有相應的體現，能夠及時的保護設備并對后期的故障分析提供方向[3]。

1.1.2 振動監測

這種方法是利用振動傳感器來對電動機軸承和機座的振動進行監測。振動傳感器的輸出信號經信號處理（頻譜分析）后，與該電機的故障特征頻率相比較，從而尋找出故障性質和故障部位。一般來說，不同的故障性質會有不同特征的振動，但是振動監測還是存在一定的局限性，由于生產現場的復雜性，會對振動信號產生較大的干擾，此外多種故障的特征頻率相互重疊，需要更高的技術水平與檢修經驗進行區分。

1.1.3 溫度監測

在生產現場的重要電動機設備在安裝時都會在定子繞組、軸承室等部位事先埋入溫度傳感器將溫度信號傳輸至生產SIS系統中進行監測，這種監測方式應用較早，由于傳感器數量和位置分布的限制性，有時候也難以反映故障部位的實際發熱狀況，這就要求檢修人員定時要利用點溫槍、紅外溫度測試儀對電機進行更詳細的溫度測量。

1.2 異步電動機狀態監測的發展現狀與方向

異步電動機的功能是進行電能和機械能的轉換，其中涉及的因素有很多，如電路系統、磁路系統、絕緣系統、機械系統、通風散熱系統等。因此，電機狀態監測和故障診斷涉及的技術范圍更廣。從電機監測技術的發展上看，隨著工業生產的發展和設備日趨復雜和精密的發展趨勢，設備狀態監測的方法也在不斷革新。在工業初期，由于設備比較簡單依靠人的五官感覺和簡單工具進行檢查和監視，這種監測結果和檢修人員的技術水平和經驗具有直接的關系，不能做定量的測定，并且有時無法做早期發現內部隱患。隨著技術的發展，出現了用專業儀器監測的手段，根據需要使用振動計、頻譜儀、兆歐表、超聲波探傷等設備進行監測，在一定程度上可以對設備狀態參數進行定量的測量。

目前使用比較廣泛的電機狀態監測方式是離線和在線監測。離線監測的特點是監測周期為間斷的，監測點的位置是固定的，機器的狀態信號由人工采集，由計算機進行處理儲存，不能對迅速發展的故障做出及時的反應和預測。在線監測是通過安裝在設備上的傳感器，隨時可以獲取機器運行的各種狀態信號，可對機器進行連續的監測，相比之下能早期發現故障，并密切監視其發展趨勢。經過多年的發展，一大批狀態監測系統也相繼投入使用，這些監測系統能連續不停地進行監測和比較，經過計算機分析和處理，對于數據超限的設備進行報警或切斷電源。

盡管電動機監測技術已經取得了很大的進步，但是仍然存在一些不足。主要是因為電動機故障的復雜性，系統故障檢測的誤判率較高，準確度也較低。近年來研究較多一種方法是基于人工智能的狀態監測及故障診斷，通常利用神經網絡來實現學習與分類決策功能，為了能夠對故障進行分類，往往需要通過學習將系統參數或結構固定下來，待識別信息由已訓練的神經網絡進行處理，便可依據某一判斷準則對識別對象進行分類，最后給出準確、及時的故障診斷結論。狀態監測是故障診斷和電動機保護的基礎，它可以及時發現電動機的安全隱患，節省人力物力的同時保證生產的可靠進行。狀態監測和故障診斷二者的合理結合是目前電動機研究的熱點和發展趨勢。

2 異步電動機的故障分析方法

異步電動機從結構上來看比較簡單，但實際上運行中的電動機是一個復雜的系統，具有復雜的機、電、磁等物理變化，甚至會從中引發出一些化學變化。長期運行的電動機某些部件性能會逐漸劣化，從而引起電動機產生一系列故障。在實際生產生活中，電動機的故障從學科上進行劃分可以分為電氣故障和機械故障兩大類。

2.1 電氣故障

2.1.1 接地故障

異步電動機由于運行環境不良，受潮等原因導致絕緣下降，很容易發生接地短路故障。異步電動機通常采用△型連接和Y型連接。

正常運行時均無零序分量，但一旦發生接地故障，無論是金屬性還是非金屬性的，均在相電流中出現零序分量，因此，可以將系統中是否出現零序分量作為接地故障的判斷依據。接地故障會對電動機本體絕緣造成較大的傷害，在電動機投運前一定要注意測量電動機絕緣與吸收比是否良好，潮濕天氣啟動前應提前投入加熱器以保證電動機絕緣良好。

2.1.2 缺相故障

異步電動機缺相運行是常見的故障之一，某一相線路開關觸點或接頭導線接觸不良等都會造成電動機缺相故障。若在啟動時缺相，由于合成轉矩為零而無法啟動，其電流比正常工作時的電流要大得多，并多伴隨著電動機振動。若在運行時突然缺相，若負載轉矩較小，電動機會維持轉動，但轉速和轉矩都會有所下降，在相電流中會出現負序分量。因此在電動機啟動時，就地應有人監視，若發現異常及時聯系操作人，避免電動機起動缺相。在日常維護期間也應該定期對電動機接線盒內接線進行檢查，防止以后的運行中出現脫落導致缺相故障。

2.1.3 相間短路故障

異步電動機相間短路故障通常發生在接線端子處或繞組內部，對于繞線式異步電動機出現的頻率更高。電動機相間短路故障通常會出現大于8倍以上的額定電流，使繞組迅速產生高熱，電機溫度迅速升高，導致絕緣損壞，甚至燒毀電機。在解體檢查時多能發現明顯的燒黑、熔斷點。為了防止此類事故的發生，在電動機進行解體檢修后，一定要做好絕緣、耐壓等預防性試驗，并安排合理的試運時間，做好預防工作。

2.1.4 電壓不平衡、過壓、欠壓

三相電壓不平衡將導致電動機三相電流不平衡，在電流中將出現負序分量，一方面會使電動機發熱，另一方面，負序分量將產生與正序方向相反的電磁轉矩，導致電動機的電磁轉矩降低，電壓不平衡程度越高，電機發熱和轉矩降低的情況越嚴重。

過電壓將可能損壞電動機的絕緣，并使電動機的電流上升，如不及時排除則可能演變為相間短路或接地故障。

由于電動機電磁轉矩和電壓的關系為：T∝U2，欠電壓會引起電磁轉矩的急劇下降，如果電動機拖動的為恒轉矩負載，將會導致電動機的轉速下降，電流急劇上升，引起溫度上升從而引發其他故障。

2.1.5 在實際生產現場，電動機的種類和數量較多，電氣故障的種類也比較繁多，除了上述的常見故障外還有一些電路、磁路等方向的故障，這就要求檢修人員在檢查故障點時要認真仔細、廣發思維。在工業自動化技術快速發展的今天，實際上絕大多數電動機設備都會針對短路故障、過載故障、電壓故障以及接地故障等設置電流速斷保護、過流保護、欠電壓及電壓不平衡保護以及零序電流保護等。同時還會設置一些過負荷保護、溫度保護裝置作用于報警，對異常工況及時發出警告，避免異常進一步演變。這些保護裝置也會連續監視運行電壓、電流等參數，保護動作時也會記錄相關的動作原因。這些對電氣故障分析工作都有很大的幫助。

2.2 機械故障

電動機機械故障由于其相比較電氣故障并沒有特別明顯的特征，有些機械故障的發生點比較隱蔽并且一些機械故障還會伴隨著多種異常現象，對于電動機故障分析往往是難點所在。因此分析電動機機械故障要仔細觀察并且具備一定的檢修經驗。

2.2.1 軸承故障

軸承是支撐電動機轉子的負重部分，運行時要保持長時間高速轉動，是比較容易損壞的部分。當滾動軸承缺油時，會聽到骨碌骨碌的聲音，此時要及時進行補油工作，補油通常會造成電動機軸承溫升，所以每次補油不宜過多，補油后也應當監視4 h以上，保證電機軸承溫度不超標。

在電動機運行時若聽到不連續均勻的嗡嗡聲，并伴隨有輕微的雜音，可能是由于軸承內混有沙土等雜物或軸承零件有輕度磨損故障。此時應當停機檢查，先察看軸承滾動體、內外鋼圈是否有破損、銹蝕、疤痕等，然后用手捏住軸承內圈，并使軸承擺平，另一只手用力推外鋼圈，如果軸承良好，外鋼圈應轉動平穩，轉動中無振動和明顯的卡滯現象。否則說明軸承已不能繼續使用了，應當及時更換新軸承。

2.2.2 端蓋故障

機殼和端蓋同樣也是故障的易發點，若電動機發生振動大、異音等現象時也要對機殼和端蓋進行檢查。端蓋與軸承配合不緊密，則有可能造成軸承外圈與端蓋產生摩擦，造成電機振動大、軸承過熱等現象。

首先要通過檢查端蓋表面是否有摩擦、裂紋痕跡。然后要測試端蓋的橢圓度是否在標準范圍內。若有裂紋應進行堆焊修復，或者更換新的端蓋。對于功率較大的電動機，也可采用鑲補或電鍍的方法，最后加工出軸承所需要的尺寸。

2.2.3 定、轉子機械故障

定、轉子都是由相互絕緣的硅鋼片疊成，是電動機的磁路部分。定、轉子鐵芯的損壞和變形主要從以下幾個方面檢查。

1）檢查定子、轉子表面有無摩擦痕跡，是否有異物等。軸承內圈與軸的配合是否緊密，內圈與軸有無摩擦痕跡。軸承過度磨損或裝配不良，都可能導致定、轉子相擦，使鐵芯表面損傷，進而造成硅鋼片間短路。導致電機出現振動大、溫度高的現象。

2）長時間閑置的電動機要檢查定、轉子是否有因受潮等原因造成鐵芯表面銹蝕，此時需用砂紙打磨干凈，清理后涂上絕緣漆。

3）檢查轉子動平衡是否合格，電動機轉子動平衡不合格會導致軸承受力不均勻，加劇軸承磨損，并也會伴隨著電動機振動大的現象。

2.2.4 在實際的生產生活中，電動機的機械故障是復雜多樣的，無法一一列舉，在這里僅列舉了一些常見的機械故障。根據檢修經驗，檢查電動機機械故障可以用“望、聞、問、切”四個字來概括。“望”及觀察電動機運行時的異常情況，哪些部位溫度過高、哪個位置振動更強烈。在電機解體后要仔細檢查定子、轉子、端蓋等重要部位有無明顯的磨損、銹蝕等異常情況。“聞”就是聽聲音，當電動機發生機械故障時大都伴隨著異音，哪些部位有異音、異音的音調等對故障分析都能提供重要的依據。“問”就是咨詢、查詢，根據電動機異常情況咨詢相關專家和經驗豐富的檢修人員、查詢電動機的廠家資料和網上的檢修經驗，對故障的分析有很好的幫助。“切”就是利用頻譜儀、測振儀等監測儀器對電動機進行一個定量的數據分析，通過頻譜或其他比對的方式進行檢查分析。電動機的機械故障分析是一項比較復雜的學科，需要檢修人員具有較高的技術水平與工作經驗。

3 高壓異步電動機的檢修實例

本章主要結合我廠高壓異步電動機故障的分析過程探討一下具體的故障分析方法。在本年度我廠機組停機檢修期間，對某高壓電機進行了檢修工作，該電機的型號為YMPS500-6，額定電壓6 kV，額定功率450 kW，驅動端為NU230.E.M1與6 032.C3雙軸承結構，自由端為NU230.E.M1單軸承結構。

該電機在平時運行時軸承位置會有“突、突、突”的異音，解體檢查定子、轉子并未發現明顯異常。更換前后軸承后再次試轉異音仍然存在，且溫度上升至69℃仍然不能穩定。經頻譜儀測試發現軸向振動超標為5.079 1 mm/s（頻率為100 Hz）。實驗數據如表1所示。

表1 電動機試轉振動數據mm/s

根據測試數據發現，電機運行起始振動情況較好，但運行10 min后振動逐漸變大，特別是軸向振動更加強烈，現場軸承處異音也隨之變大。根據頻譜儀的檢測結果分析，該電機在6倍頻或2倍線頻位置軸向振動最為強烈，根據異音情況并對比故障頻率后分析可能為轉子故障。分析出來問題的大方向后，開始著重對轉子進行檢查分析。

首先要先對轉子進行直觀的檢查，主要檢查項目有：轉子表面是否有明顯摩擦現象、絕緣漆是否完整，鐵芯及鼠籠條是否有松動斷裂、轉子軸是否彎曲、轉子軸與軸承配合是否緊密。上述檢查完畢，未發現異常現象。隨即對轉子做了冷態動平衡和熱態動平衡（帶前后扇葉），檢查轉子是否存在不平衡問題。經過檢查發現：電動機轉子在161°的位置偏差236 g。隨后重新調整了配重，達到合格標準后，將轉子整體放入烘箱，加熱至50℃模擬轉子受熱膨脹時的情況，進行熱態動平衡測試，結果仍然在合格水平。解決完該問題后為了排除端蓋磨損問題，又對電機端蓋橢圓度、尺寸等進行了測量，結果仍在標準范圍內。隨之對電動機進行了組裝并再次試轉。結果仍然存在電機運行一段時間后振動、異音變大的問題，說明并沒有真正的解決異常原因所在。

排除了以上異常點之后，電動機仍然存在軸向振動大的問題，經專業討論推斷，還有可能存在電動機轉子鐵芯與轉軸松動問題或者磁力中心偏移問題。為了通過實驗驗證問題所在，決定將電動機繼續試轉，這可以維持電機內部溫度，讓轉子鐵芯充分膨脹，根據電動機振動情況判斷在高溫下轉子鐵芯是否存在松動問題。相關的實驗數據如表2所示。

表2 電動機高溫情況下的振動數據mm/s

根據實驗數據可以看出，溫度越高的情況下振動是呈逐漸加大的趨勢，所以有理由懷疑在溫度較高時，轉子鐵芯由于受熱膨脹使其與軸配合不緊密導致松動。為了確認情況，使用壓機將轉子軸壓出，觀察轉子硅鋼片內部表面粗糙，轉軸表面有摩擦痕跡。推斷該電機轉子鐵芯制造時，由于其轉速較低，轉子鐵芯承受的向心力較小，所以是先把轉軸立起來，將硅鋼片一片一片疊起來后用壓機壓實，利用軸上的筋與端部的五個鍥子將硅鋼片定位，并與軸固定在一起，見圖1。這種安裝方式更加便捷，但問題是隨著使用時間變長，硅鋼片內部粗糙，當轉子受熱膨脹時，轉子鐵芯與轉軸接觸面減小，導致松動串軸。如果進行大面積的激光冷焊進行修復，成本上是不可行的，所以最終決定先將轉子鐵芯內部車光滑后（為了增大轉子鐵芯與軸的接觸面積）根據轉子鐵芯的孔徑確定軸徑，為了保證不再發生軸松動的問題，設計新軸的過盈量為0.25 mm～0.28 mm。

圖1 拆解后的轉子鐵芯內圈和轉軸

新軸制作好后，重新安裝進行試轉工作。在試轉的開始時電動機運行狀態良好，但試運2 h后軸向和垂直振動開始逐漸變大，根據頻譜分析在116 Hz即7倍頻時振動最大，在驅動端也出現了異音問題。根據這種現象分析可能是更換新軸后膨脹系數與原軸不同，在軸受熱膨脹后磁力中心偏移，并且存在冷態熱態磁力中心偏差大的問題。具體數據如表3所示。

表3 更換新軸后的振動數據mm/s

這里提供一個當通過靜態測量無法判斷磁力中心位置時，測試電動機磁力中心是否偏移、往哪個方向偏移的實驗方法供參考。試驗方法為在驅動端安裝兩個滾珠軸承，相當于轉子在電機內無法軸向串動，測試此時的電機振動情況，隨后將電機驅動端端蓋后加墊片，相當于將電機轉子整體向驅動端移動一段距離，若振動有減小的趨勢，則可以判斷磁力中心確實向該方向移動。之后可以繼續調整墊片厚度，直至電動機振動達到合格水平。最終解決辦法可以將軸進行加工，驅動端軸承座位置車進合理距離，并于自由端加墊片的方式使電機轉子整體向驅動端移動，以保證磁力中心穩定。

我廠電動機通過實驗確定磁力中心向驅動端偏移4 mm。對電機軸進行加工完畢后重新組裝試運，電動機試運4 h，各項指標均達到合格水平。

從本次的檢修過程中可以看出，高壓異步電動機的故障檢查是一項復雜的工作，正如前文所說，它涉及到多種學科，對于有些機械故障多是一些隱性的問題，很難從表面上看出問題所在，需要根據一次又一次的實驗數據、試轉現象進行判斷分析。作為電力檢修人員要學會從每一次故障中學習。才能為今后的分析工作提供更多的經驗。

4 結語

近年來異步電動機自動控制系統研究取得了很大的進步，異步電動機越來越能夠滿足更精密設備的性能要求，在今后仍將是設備動力的主要來源。隨著工業企業生產自動化程度的日益提高，在企業精成本、提效益的大背景下，加強電動機狀態監測與故障分析技術具有十分重要的意義。本文以異步電動機狀態監測與故障分析為主要內容，結合我廠高壓異步電動機檢修實際情況做了如下工作：

1）分析了異步電動機狀態監測應當把握的要點內容，對異步電動機常見的電氣故障、機械故障進行了總結與分析。

2）結合我廠高壓異步電動機的實際檢修過程，解釋了在生產現場中故障分析方法的現實應用，并提供了相關故障判斷的實驗方法與后期排除故障的方式。

盡管本文在異步電動機狀態監測、故障診斷問題上進行了有益的探討，但還是有不少工作需要深入。相信在廣大電力檢修人員的共同努力下，隨著科學技術的日益進步，異步電動機的狀態監測與故障分析技術將會更加科學完善。