基于多維特征融合的電機軸電流在線監測策略

蔣 敏 李金東 周福泉

（國能大渡河猴子巖發電有限公司）

0 引言

軸承是電機的重要組成部分，對電機的穩定運行至關重要。然而，在軸上積累的軸電壓和由此產生的軸電流可能會損壞軸承，甚至導致災難性的電機故障［1］。因此，軸信號測量逐漸被納入大型水輪發電機的預測性健康檢測中。其中，通過對軸電流的監測進行軸承的故障診斷是當下的研究熱點。

當電機轉軸兩端的電壓差大于軸承油膜的擊穿電壓時，會出現電流脈沖，形成軸電流。文獻［2］指出，軸電壓的產生主要分為兩個方面。一方面是電壓源逆變器存在一定的共模電壓，通過電機內部的寄生電容和電感，產生了逆變感應軸電流；另一方面是電機內部磁鏈存在不平衡和不對稱，在電機運行時，會在電機轉子軸上感應出軸電壓。軸電流會腐蝕軸承金屬表面，降低軸承可靠性，縮短軸承壽命，顯著影響電機系統的穩定運行。因此需要對軸電流進行監測。

在電機軸電流監測方面，通常會在軸的附近安裝一個羅氏線圈。若想監測高頻軸電流，需要將羅氏線圈放置在電機內部［3］。這會使得電機的結構變得復雜，且不容易安裝。因此，目前研究趨勢是采用非侵入式的射頻測量來監測高頻放電軸承電流［4］。然而，這種方法僅能監測高頻軸電流。電機對地的軸電流是無法監測的。

因此，本文在對軸電流詳細分析的基礎上，提出采用多維特征融合的電機軸電流在線監測策略，提高軸電流的檢測精度。

1 有電壓源逆變器運行時的軸電流

當電機在電壓源逆變器控制下運行時，會產生逆變感應軸電流。此時，可以將軸電流分為環路軸電流和非環路軸電流，并將逆變器感應軸電流分為以下四種主要類型，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）。屬于非環路軸電流，其主要在電機低速時出現。與其他類型的軸電流相比，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），當作用在軸承上的電壓比較大時（即軸承分壓比較大），會給軸承內部的潤滑油充電，直到超過其所能承受的最高電壓，導致軸承潤滑油膜擊穿，同時出現以兆赫頻率振蕩的EDM電流脈沖（≈0.5-3A）。

3）高頻（High Frеquеncy，HF）環路軸電流。電機端子處較大的dV/dt作用在定子繞組和定子機殼之間的寄生電容上，會產生高頻電流。高頻電流在電機轉軸的周圍產生圓形磁通，進而感應出軸電壓。如果潤滑油膜破裂，高頻電流（≈0.5-20A）在“定子鐵心-驅動端軸承-轉子軸-非驅動端軸承”回路中循環，頻率為100kHz。這種類型的軸電流是由于電感耦合，它反映了共模電流。

4）轉子對地軸電流。屬于環路軸電流，如果轉子對地阻抗低于定子對地阻抗，則會發生這種情況。此時，一部分接地電流會穿過軸承，流向電機轉軸。這部分電流可以達到很高的幅值（≈1-35A），并損壞軸承。

根據文獻［5］的研究，功率在20kW以下的小型電機對EDM軸電流更敏感，而較大功率的電機則更容易受到循環軸電流的影響。

根據軸電流的不同類型，軸承具有兩種電氣模式：非環路軸電流的電容模式和環路軸電流的電阻模式。根據軸承溫度和轉速等運行參數，軸承可以從純電阻模式轉變為純電容模式。

EDM電流產生于軸承內的潤滑油薄膜和高軸承電壓。這些電流是軸承寄生電容、潤滑油膜厚度和擊穿前軸承電壓的函數。此外，這些參數與軸承溫度、電機轉速和軸承載荷有關。環路電流主要出現在低速和高軸承溫度下，在這種情況下，軸承油膜會變薄，從而使得滾道和滾動元件之間產生電阻接觸。因此，在某些工況下，電機軸承可以在電容模式和電阻模式之間隨機交替。

除此之外，在軸頸油潤滑軸承的穩態狀態下，會產生電感和電容源的“組合”軸電流。文獻［6］通過對比實驗，證實由于ⅠGBT逆變器導致的高頻軸電流會加速軸承故障的速率，比沒有ⅠGBT逆變器供電的電機系統軸承故障速率快7倍。同時，高頻軸電流在軸承的表面上產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 軸電流數學模型

軸電流產生的根本原因是高頻共模電壓和電機內部存在著雜散電容。同時，電機在高頻時主要表現為電容性。因此，可以建立共模電壓與電容網絡模型。

當沒有EDM放電事件發生時，可以認為軸電壓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是定子繞組到轉子鐵心間的耦合電容，Crf是轉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可以通過測量或計算高頻寄生電容來確定。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指標，計算方法為：

圖2 用于估算軸承分壓比的等效電路模型

在這一模型的基礎上，可以更進一步地從性質上對影響軸電壓和軸電流的主要因素進行分析。EDM軸電流可以通過擊穿前閾值電壓的估計和軸承電阻的估計得出。在分析潤滑油膜的擊穿過程可以通過添加控制開關進行建模，如圖3所示。當軸承電壓超過估計的閾值電壓（1.5-30V）時，開關k1斷開，k2導通。

圖3 考慮油膜擊穿的等效電路模型

由軸電流模型可知，電流通過定子繞組進入，通過定子繞組和轉子鐵心間的耦合電容Cwr泄漏，并通過接地連接離開電機。由于趨膚效應，共模電流在定子疊片表面流動，會在沿電機軸方向產生電壓。如果該電壓高到足以擊穿潤滑油膜，則軸承電流在“定子鐵心-驅動端軸承-轉子軸-非驅動端軸承”的回路中循環。另外，感應軸電壓會隨電機結構尺寸的變大而增加，從而解釋了大型發電機中環路軸電流幅值的增加。

3 軸電流的多維特征融合檢測策略

3.1 基于射頻信號的EDM軸電流監測

可以通過射頻（Rаdio Frеquеncy，RF）測量來檢測高頻放電軸電流。該方法假定高頻放電電流脈沖在電機附近會發射其能量的一部分。通過計算在規定的時間范圍內超過某一閾值的輻射脈沖數量，從而評估軸承對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對Crf、Cb，DE和Cb，NDE電容進行充電。存儲在這些電容中并在放電過程中釋放的能量Ec可以表示為：

在軸承放電期間，釋放的能量Ec的一部分通過電動機外部的RF輻射出去。軸承放電的數學模型如圖4所示。電容與定子鐵心和轉子電感Lf、Lr一起形成振蕩電路，為作為無線電天線運行的電機提供電源。當軸承放電時，振蕩電路被激活。

圖4 軸承放電時的等效電路模型

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進行建模，如式（3）所示。

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

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

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，這既是因為大部分能量在軸承內轉化為熱量，也是因為電機不是理想的天線。

3.2 基于羅氏線圈的軸電流監測

如圖1所示，可以將羅氏線圈夾緊在軸承座外的電機軸周圍，此方法不能測量高頻循環軸承電流，因為軸承電流不流經軸的這些部分。該方法的軸電流是直接測量的，電流路徑中不引入額外的阻抗，因此測量精度較高。然而，這種技術不適合測量EDM軸電流。故本文將基于射頻信號和羅氏線圈測量的電流信號結合，可以提高軸電流的監測精度。基于兩種不同特征量可以監測的軸電流如表1所示。

表1 不同特征量和軸電流的對應關系

4 結束語

本文詳細分析了軸電流的主要形式，以及軸電流的主要特點。通過對軸電流進行建模，詳細分析了軸電流的產生機理。在此基礎上，推導EDM軸電流的射頻信號功率譜密度，以此監測EDM軸電流。為彌補其無法監測環路電流的缺點，本文增加對真實軸電流信號的檢測，提高多種形式的軸電流檢測精度。