基于電信號特征分析的電機故障診斷技術(shù)

朱亞平，萬兵，袁志剛

1 引言

在水泥工廠中，電機運行環(huán)境惡劣，故障類型不易判斷，難以采取有針對性的預(yù)防性維護措施，對安全生產(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電機。繼電器的工作原理是，若電機運行參數(shù)值超過了繼電器的設(shè)定值，繼電器就會發(fā)出警報；當繼電器發(fā)出警報繼而影響電機安全時，切斷控制回路，停止電機運行，避免電機運行故障發(fā)展擴大成為生產(chǎn)事故[1]。此種保護方式看似完備，但繼電器并沒有預(yù)警功能，繼電器發(fā)出警報時，電機故障已經(jīng)發(fā)生，繼電器的設(shè)置只能作為電機穩(wěn)定運行的最后一道防線，防止重大事故或災(zāi)難性事故的發(fā)生。實際生產(chǎn)中，大型設(shè)備的驅(qū)動電機突然斷電或停止運行，往往會造成巨大的經(jīng)濟損失，若無法及時在電機斷電或停止運行前發(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到設(shè)備安全運行的目的。

上世紀90 年代初以來，我國電機故障診斷技術(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信號收集效率；陶志成[3]采集電信號特征，分析并識別旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障類型，但未能對電流電壓頻譜進行分析，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，能夠在線監(jiān)測發(fā)電機故障放電。但上述這些方法依然存在電機故障診斷手段單一、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特征分析（Electric Signal Analysis，ESA）為基礎(chǔ)的ESA 電機故障快速診斷技術(shù)平臺。通過平臺，能夠抓取電機運行過程中的電壓、電流信號，并在平臺進行解析，生成時域與頻域特征頻譜圖，進而獲取特征峰值，評估電機健康運行狀況。實踐證明，電機故障快速診斷技術(shù)平臺具有較好的檢測效果。

2 ESA電機故障診斷技術(shù)平臺的搭建

2.1 ESA電機故障診斷技術(shù)平臺的構(gòu)成

ESA 電機故障診斷技術(shù)平臺主要包含硬件與軟件兩部分，如圖1 所示。硬件主要由測試儀表、電流互感器、電壓互感器、接地電纜和各項線材組成。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)場數(shù)據(jù)的在線收集和采集數(shù)據(jù)的過程校正，通過對功率因數(shù)的確認，保證電流與電壓的夾角表現(xiàn)為感性負載，且每個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、電壓的時域與頻域的特征頻譜。硬件與軟件組合構(gòu)成了電機故障診斷技術(shù)平臺，通過對電機數(shù)據(jù)的采集與整理，進一步分析電機健康運行狀況，最終給出電機的預(yù)防性維護建議。

圖1 ESA電機故障診斷技術(shù)平臺示意

2.2 電機故障的分析

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

（1）轉(zhuǎn)子斷條

電機轉(zhuǎn)子斷條故障主要表現(xiàn)為，運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂或端環(huán)斷裂引起的電機轉(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本身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定引起。

繞組的磁動勢主要由繞組匝數(shù)、電流、角頻率及電機級數(shù)決定，若電機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生斷條，轉(zhuǎn)子磁動勢必然發(fā)生變化，定子磁動勢將產(chǎn)生兩倍轉(zhuǎn)差率的差異。

假設(shè)電機極數(shù)為2，根據(jù)電機轉(zhuǎn)子磁動勢與定子磁動勢間的相互平衡，定子磁動勢可表示為：

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）第二項中，存在一個比基波頻率低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)電機的定子電流也會產(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，電機定子電流只存在基波頻率的成分。但當轉(zhuǎn)子處于不平衡故障時，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

當電機定子繞組因絕緣破壞發(fā)生故障時，電機電信號將存在異常現(xiàn)象，氣隙中的磁路也會有較大影響。當電機定子繞組發(fā)生短路的匝數(shù)較少時，電機運行中電信號異常特征表現(xiàn)不明顯；而當其發(fā)生短路的匝數(shù)越來越多時，電信號異常特征表現(xiàn)將越來越明顯，電機繼續(xù)運轉(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準，比較其他兩相電流的變化量，是電機定子繞組絕緣缺陷的主要判斷依據(jù)。由于電機故障診斷技術(shù)平臺采用了高頻信號，少量的電流變化就會被放大幾十倍，儀器的測量精度較高。

（3）電機偏心

電機偏心多是由日常維護中工序的偏差、運行中的負載不穩(wěn)定、軸承及軸彎曲等問題引起的。電機偏心將導(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；動態(tài)偏心指轉(zhuǎn)子除了自轉(zhuǎn)外，還圍繞著定子中心進行公轉(zhuǎn)。靜態(tài)偏心與動態(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間變化的趨勢不同。

進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)，動態(tài)偏心時為“1”，靜態(tài)偏心時為“0”

s——轉(zhuǎn)差率

p——極對數(shù)

nw——諧波次數(shù)，1，3，5，…

（4）電機繞組匝間短路

對電機進行倍頻測試。測試時，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，頻率與電感乘積遠大于電阻，類似于“純電感電路”；當匝間短路發(fā)展到最嚴重程度，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，電機繞組的導(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)大量實踐驗證，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行的。電壓信號主要診斷指標為電壓偏差因子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；電流信號主要診斷指標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)測主要診斷指標為奇波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電機故障診斷技術(shù)應(yīng)用

3.1 電機參數(shù)

采取ESA 電機故障診斷技術(shù)分別對宜昌A 廠250kW、景洪B 廠1 600kW 兩臺電機進行測試，電機銘牌參數(shù)如表1所示。

表1 電機銘牌參數(shù)表

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

利用ATPOLII 信號采集設(shè)備和設(shè)備搭載的All-Test-Pro 數(shù)據(jù)分析軟件，對電機采集信號進行提取與分析。

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

電機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，峰值表現(xiàn)為-36.08dB，在50.79Hz時，峰值表現(xiàn)為-37.23dB。而通過電機參數(shù)計算2sf=2×（1 500-1 488）/1 500×50=0.8Hz，對應(yīng)邊頻轉(zhuǎn)子斷條特征頻率分別為49.2Hz和50.8Hz。數(shù)據(jù)驗證表明，電機轉(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，則電機轉(zhuǎn)子的健康狀態(tài)評估結(jié)果越差。

圖3 宜昌A廠電流解調(diào)譜圖

后續(xù)在電機的現(xiàn)場抽芯檢查中，發(fā)現(xiàn)電機轉(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)評估結(jié)論基本吻合。

圖4 宜昌A廠250kW電機轉(zhuǎn)子籠條開裂圖

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

表2 電機檢測數(shù)據(jù)報告

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

由式（3）可以判定電機故障為靜態(tài)偏心。在靜態(tài)偏心的電機時域電流頻譜圖中，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)子斷條的電機時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電機電流解調(diào)譜

在后續(xù)電機現(xiàn)場維護中，抽芯檢查發(fā)現(xiàn)該電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯“掃膛”現(xiàn)象，進一步檢查發(fā)現(xiàn)，無載軸承座絕緣瓦墊脫落，如圖6 所示，基本驗證了電機檢測評估結(jié)果。

圖6 景洪B廠球磨電機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 廠排風機電機在49.2Hz 峰值處為-36.08dB，在 50.8Hz 峰值處為-37.23dB，與現(xiàn)場運行實際比較，符合電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)體斷條特征。

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

基于ESA 電機故障診斷技術(shù)平臺對異步感應(yīng)電機進行狀態(tài)檢測和評估，可進一步得知其故障發(fā)展的變化趨勢，從而擬定具有針對性的維護策略，可有效加強對電機運行的可靠性管理，進而大大提高生產(chǎn)效率，減少故障停機時間和降低設(shè)備維護成本，具有十分重要的應(yīng)用價值。