船用电机故障分析研究

曾新红

(广州航海高等专科学校，广州 510725)

0 引言

船用电机是船舶电力系统中的一个要组成部分, 主要包括船用三相异步电动机，船用三相同步发电机， 船用直流电机以及中频电机等。船用电机由于工作在环境温度高、湿度大、有油污及振动大的特殊环境中，随着运行时间的推移，电机的整体使用性能及技术工况会逐步下降。因此根据电机的运行工况，合理排查相关的电气设备安全隐患和制定相应的检修维护措施、提高故障处理速率、保障船舶电气系统运行的可靠性以延长设备的使用寿命显得尤为重要。

1 船用电动机故障

船用电动机由于其运行环境的特殊性，易出现各种各样的故障。电动机在长期运行中，一些结构、部件会逐渐劣化，逐渐失去原有的性能和功能，加上由于制造、安装及维护不当等原因，会出现机械和电气方面的故障。一般情况下电动机断路故障多发生在绕组的端部、接头处或引线处等部位[2]。在船舶电机故障中，轴承故障是常见故障之一。据统计，电机常见故障中轴承故障的发生几率高达41%[5]另外还有常见故障是转子偏心和绝缘故障。这些常见故障导致的故障现象有：(1)起动困难或根本不能起动；(2)电动机异常振动和产生噪音；(3)电动机温升过高或冒烟。下面为船用电机常见故障及其消除方法。

1.1 电机轴承故障

轴承故障是电机故障中发生概率最高的, 轴承异常易产生机械振动。滚动轴承损坏，不但噪声加大，而且还会使电机振动加剧（如轴承气隙过大）。电机轴承偏心或径向轴承损伤，导致产生径向震动加强，转子轨迹会产生椭圆或杂乱现象[3]。原因可能是轴承安装未对正，制造偏差，或是机壳变形引起轴承滑位，或是轴承安装不当，轴承缺油或油中进杂质，或是轴承磨损，滚动轴承内、外圆和滚动体损坏，滑动轴承油膜震荡等。船舶电机轴承故障的检验方法[5]有多种：温度诊断方法、振动诊断方法、基于参数辨识法、瞬时功率分析法和气隙转矩分析法等，每种方法都有其优点与局限性。对于实际工作中遇到的情况，应考虑不同状况进行分析应用何种方法来判定轴承的好坏。进而调整轴承位置,或是根据轴承的损坏程度，更换轴承。

1.2 转子故障

转子故障有转子本身的故障和转子绕组的故障。制造缺陷或受负载冲击促使键连接松动，继而造成铁心、支架松动或开裂是造成转子故障的主要原因。转子匝间短路、断条，或转子零部件脱落和转子端环移位却易造成转子不平衡，从而产生异常振动和噪音。当是由于安装未校对平衡而导致转子不平衡时，可用配重的方法[1]使其平稳。转子绕组绝缘损伤、过热、或污垢积存易导致转子绕组匝间短路，出现电流摆动，三相电流不平衡现象。由于设计、制造缺陷、或长期过载,焊接不良导致的转子绕组断条、开焊,会导致电机电流摆动，起动困难。船用电机的断条多出在重负荷、反复正反转起动的电机上，如锚机电动机，绞缆机电动机等[1]，其故障现象是断条电机在运转时有周期性的振动与噪声。直流电机转子断条时，会出现换向火花加大现象。

一种简单实用的转子断条检查方法：将疑有断条的电机通以低压交流电（以转子不动为宜），再用手缓慢转动转轴，测量各相电流。若转动到某一位置电流表指示变小，则说明转子有断条。初步确定转子断条后，再用短路检查器确定到底断了多少根。一般当转子断条根数大于转子槽数的七分之一以上时，必须更换转子绕组，少量的断条对电机的出力影响不大[1]。

关于电机转子断条故障，国内外很多学者都有进行研究。利用采集定子电压和电流信号进行频谱分析[10]，能准确的检测出定子转子断条、绕组匝间短路、轴承磨损等各种常见故障；采用单相功率频谱分析法[11]具有诊断灵敏度高、对采样分辨率要求低的优点，适用于感应电机的转子断条故障诊断。由上海交通大学研究所与立新船厂合作研究的超声波无损探伤技术[4]也是一种能快速判定船用电机转子嵌条断裂情况的无损检测方法，在对船用不同类型的电机转子嵌条进行检测研究中，能正确无误地检测出转子嵌条的情况。文献[12]中提出的一种基于小波分析、自适应滤波与连续细化傅立叶变换的转子断条在线检测新方法，可以避免负载波动对转子断条在线检测的影响，大大提高了转子断条在线检测的准确性。

1.3 定子故障

电动机定子故障主要是定子绕组短路故障、定子绕组接地故障和定子绕组断路故障。定子绕组出现故障时，会引起气隙磁场的畸变,从而或多或少的引起转子动偏心。如果三相交流电动机定子绕组发生短路故障时，绕组的自感、互感将发生变化。定子电流的高次谐波明显增强，从而导致三相电流之间的相位差发生变化。所以可以采用基于定子电流相位的诊断方法[3]来判定定子绕组有无短路故障。由于制造工艺的原因，实际的电机不可能完全对称。所以，一般当三相电流的不对称程度大于8%，且三相电流之间的相位差偏差120°的最大值超过7°时，可判定定子绕组出现短路故障。

定子绕组接地故障后，会使电动机的机壳带电，绕组过热，从而导致短路，造成电动机不能正常工作。检查定子绕组接地故障的方法很多，不管使用何种方法，在具体检查时首先应将各相绕组接线端的连接片拆开，然后再分别逐相检查是否有接地故障。实践证明，电动机的接地点绝大部分发生在线圈伸出铁心端部槽口的位置上。所以可用观察法，检查其相关部位绝缘有无破裂和烧焦发黑的痕迹。如没有这些迹象，则接地点可能在槽里。用万用表检查法检测时，先将三相绕组之间的连接线拆开，使各相绕组互不接通。然后将万用表的量程旋到 R×10 kΩ 挡位上，将一只表笔碰触在机壳上，另一只表笔分别碰触三相绕组的接线端。若测得的电阻较大，则表明没有接地故障；若测得的电阻很小或为零，则表明该相绕组有接地故障。

当电动机定子绕组发生断路故障时，会导致电动机启动困难，甚至不能启动。大量的实践证明，定子绕组断路故障大多数发生在绕组端部、线圈的接头以及绕组与引线的接头处。常用的定子绕组断路故障的检查方法有：万用表法； 检验灯法；三相电流平衡法； 电阻法等。采用检验灯法检查时，将电池与一小灯泡串联，两根引线分别与某相绕组的首尾相连，如有并联支路，却应拆开并联支路的连接线，使之互不接通。如果灯不亮，则表明绕组有断路故障。测量方法如图 1所示。

图1 （a）绕组△型接法 (b)绕组Y型接法

1.4 电机绝缘故障

由于船舶运行环境的特殊性，电机的绝缘故障也时有发生。尽管世界各国对船用电机的制造都制定了特殊的要求和标准，长期以来船用电机的绝缘研究也受到电机界和造船业的高度重视。但船用电机绝缘失效问题依旧存在。其中，绝缘性能劣化，绕组的机械性能和耐电性能不足是电机绝缘失效的主要原因。一些船用电机在设计和制造中为了降低成本，偷工减料，加上制造工艺的缺陷，导致绕组绝缘性能下降。又由于船用电机工作在环境温度高、湿度大、有油污的潮湿的海洋环境中，导致绝缘层寿命缩短。

电机绝缘问题应从电机绕组绝缘材料和工艺、电机结构、电机工作环境和日常维护几个方面去分析和解决，设备要定期检查保养，使船用电机的绝缘状况良好，提高船用电机的安全性和可靠性，为船舶安全航行提供保障。

对于电机绝缘失效导致电机烧坏等故障发生的原因，可采用改进绝缘、加装盐雾过滤器和改进风道设计等措施以提高船舶电机可靠性[11]。为防止电机绝缘故障可适当增加B—F级通用无溶剂漆的浸漆次数来提高绝缘性能。

2 发电机故障

船舶发电机是整个船舶的核心，一旦发电机发生故障，不但影响船舶日常照明，而且影响船舶的航行安全和作业。一般船舶都配备有三台发电机，根据船舶负荷的大小选择单机或并网运行，尽管如此，船舶发电机故障也时有发生。

其中，发电机励磁系统故障是较易发生的问题之一。文献[6]和[7]分别对TFX-H型船舶发电机和HYUNDAI无刷同步发电机故障进行了分析，均为励磁系统故障。文献[6]对TFX—H型发电机在试验阶段出现的三种故障进行了分述，并阐述了对各种故障的排除过程。文献[7]对无刷同步发电机励磁系统的组成及故障排查作了详细的分析。成功解决了某集装箱轮所配HYUNDAI无刷同步发电机的并网故障的成因及排除过程。经验告诉我们，如果发电机需要并联运行，那么空载电压应相等，且调压调差系数尽可能相同。并且负荷分配要合理，包括有功负载及无功负载，否则易导致并网不成功。文献[8]对船舶发电机系统常见故障作了较详尽的阐述，并提出了相关的改进控制措施。

综合上述船用电机各种故障类型及成因，为避免船用电机尽可能少发生故障，要注意以下几点：（1）选择额定数据和技术条件规定符合船舶特殊环境要求规格的电机。（2）应尽量避免同步电动机和三相异步电动机的频繁起动。（3）由于环境变化对直流电动机影响较大，因此在使用直流电机时应保证良好的使用环境。(4)在船用电机的维修保养中，拆卸线路时一定要做好标记。

3 结束语

船用电机在长久的运行过程中出现故障是不可避免的，了解并熟悉船用各种电机的易发故障机理和消除、防范措施对船舶的安全航行有重要意义。上述船用电机故障情况，既有制造工艺、加工质量的原因，也有现场安装、维护的原因，因此，在电机的日常运行、检修和维护工作中，应加强电机的监测工作和检修维护管理，确保船用电机的正常运行。

[1]易明枢, 梁启雄. 船舶电机异常振动与噪声的检查及消除方法[J]. 武汉造船, 1996, (5).

[2]曾新红. 三相异步电动机故障诊断[J]. 甘肃冶金,2005, (4)

[3]马宏忠. 电机状态监测与故障诊断[M].机械工业出版社, 2008, (3).

[4]顾景和. 用超声波对船用电机转子嵌条进行探伤的研究[J]. 海运科技, 1992,(3).

[5]喻茂华.船舶电机轴承故障检验方法[J]. 经济技术协作信息, 2010, (28).

[6]杨世能, 张泰康. TFX-H型发电机故障排查及分析[J]. 广东造船, 2011,(2).

[7]于风卫, 张守俊. 船舶发电机励磁系统故障排除与分析[J]. 青岛远洋船员学院学报, 2009, (2).

[8]王红亮, 马占军. 船舶发电系统故障分析及改进控制措施研究[J]. 科技信息.

[9]杜占峰, 左岐. 电流特征分析在异步电动机故障诊断中的应用[J]. 机电信息, 2010,(30).

[10]董涛, 程培源, 樊波等. 基于单相功率频谱分析的感应电机故障诊断[J]. 大电机技术, 2011(2)： 20-22.

[11]张春杰等, 海上油田钻井电机故障分析与对策[J].石油天然气学, 2010, (5)： 380-382.

[12]许伯强等. 小波分析应用于笼型异步电动机转子断条在线检测.