舰艇中频发电机组的故障诊断

2016-10-13郑小荣李红江高海林

船电技术 2016年8期

郑小荣，李红江，高海林

舰艇中频发电机组的故障诊断

郑小荣1，李红江2，高海林2

（1. 92957部队，浙江舟山 316000; 2. 海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

本文主要介绍运用电机电路分析（MCA）技术，使用电机故障检测仪测量中频电机转子阻抗、倍频、绝缘等参数，通过与原始数据或相同型号电机数据对比等方法，监测电机状态。以及探讨红外热成像、电机电流信号分析（MCSA）方法在中频发电机组故障诊断中的综合运用，提出检测中频电机故障的新方法。

中频机组故障诊断技术电机电路分析（MCA）红外热成像电机电流信号分析（MCSA）

0 引言

中频机组在舰艇上主要用于为各武备系统提供中频电源，是舰艇武备系统中的关键设备，其输出电压的稳定关系到各系统能否正常工作。某型舰艇在使用过程中经常发现中频机组输出电压过低，甚至烧毁电机的现象,因此查找出故障的原因、监测电机的状况并及时预报故障，关系到该舰整个作战系统的正常使用。在工作中我们根据舰艇中频机组结构的特点，利用电机故障检测仪使用电机电路方法进行全面质量监控、故障诊断及预知维修，取得很好的效果。同时为了克服这种方法的局限性，提出综合利用红外热成像技术和电机电流信号分析（MCSA）技术进行故障诊断的方法。

1 电机电路分析方法在中频发电机组故障监测中的应用

电机故障检测仪是目前已在广为使用的一种智能化测试仪，能快速自动测试电机三相绕组的全部参数，利用电机电路分析方法（MCA），快速准确的判断定、转子故障的程度，诊断微小的匝间短路，具有很高的实用价值。

1.1电机绕组故障特性与测试原理

电机的故障往往始于电机内部绕组品质变化。由于长期运行或过载，特别是频繁地启动及反向，过电流产生的热量使绕组的绝缘层发生质变，造成初期局部的匝间短路或对地短路，当短路越发严重时，将导致电机的烧损[1]。

电机故障检测仪的最大特点就是采用低压、高频的交流测试信号，它的核心就是分析电机发生故障时和的变化对比关系。根据电机电路分析方法，电机一相绕组在交变电流下阻抗为公式（1）：

Z=Z+Z=R+jωL （1）

由于采用高频Z增加了几倍或几十倍，而Z不变，这样就增加了Z对Z的比率，甚至使>>R，更加突出了电感在阻抗中所占的比重，使得任何微小的变化也能显著的表现出来。基于此，在实际工作中我们通常采用下面几种方法来测试电机绕组的故障：

A. 定子三相平衡测试—电流对比法

三相平衡是指三相电机各相阻抗的平衡。电机故障检测仪对于三相平衡的测试，是利用内部电池供电的恒压源分别测试三个绕组，设定某一相结果（电流值）为标准0（100%），比较其他两相上电流的变化量。由于电压相同的不同将导致的不同，因此电流变化量Δ即为阻抗变化量Δ。实践中，无论定子绕组接法是“星型”还是“三角型”，当差异超过5%时，电机的性能已大大受损并发热，必须立即维修或更换。另外由于转子的互感作用，有故障的转子会影响测试结果，也就是说转子绕组互感量的差异会导致测试结果的不平衡。因此这种方法只作为测试的第一步，用于初步检测电机状态的好坏，需要用方法二、三来确认故障存在于定子还是转子[2]。

B. 倍频测试—匝间短路

频率加倍后电机电流与频率的对应关系为公式（2）、（3）：

定义倍频测试值为，即电流在频率加倍后的变化量如公式（4）：

纯电感电路中，=-50%，电流减少一半。纯电阻电路中，=-0%，电流不变。

最初无匝间短路发生的绕组在仪器发出的高频电流下，>>R，类似于“纯电感电路”；当匝间短路发展到最后，几乎完全失效，绕组类似于“纯电阻电路”。也就是说，匝间短路的发展趋势是使绕组从“纯电感电路”向“纯电阻电路”的迈进，即值从-50%向-0%的发展趋势，值直接说明了电感的失效程度，它能够作为匝间短路程度的判定依据。这种方法已为大量的实践所验证，十分可靠。

C. 绝缘测试

对于电机的测试，每次都应包括绝缘测试。我国的标准是普通电机静态下1000 V测试不小于2 MΩ。一旦低于2 MΩ必须及时处理。

1.2中频机组故障诊断方法

中频机组一般由一个同步电动机和一个中频发电机组合而成。发生故障时首先表现为输出电压下降[3]。根据公式（5）、（6）：

=4.441NK11(5)

1=/60 (6)

输出电压，与磁通和发电机电流频率1成正比,也就是与电动机的转速成正比。引起电压下降的原因，一个是由于发电机磁通下降，另一个就是电动机的转速降低，还有一种可能就是发电机定子绕组匝间短路。也就是说无论是电动机还是发电机的绕组发生故障都有可能引起输出电压发生变化。由于发电机和电动机都是同步电机，检测方法基本相同。因此下面主要介绍同步电机的检测方法。

实践中我们发现，中频机组经常是转子绕组首先发生匝间短路，而且同步电机转子参数随角度变化很小。因此在检测同步电机时,还需同时检测几台相同型号电机转子参数，通过这些参数比较来判断故障情况。

1.3诊断实例

在某次任务中某舰发现一台中频机组输出电压下降。由于该舰是引俄舰艇，该型号电机没有可比较的参数。因此，在该舰找到几台相同型号的电机，提取参数然后进行比较。通过检测发现电机转速正常，因此只对发电机的绕组进行测量，测得转子参数如下表1所示。

表1 转子参数

从监测数据分析看，设备4中频机组的转子阻抗已大大低于正常值，倍频值也降低，这说明绕组可能已出现严重的匝间短路。经拆检发现设备4中频机组的转子确实已存在匝间短路，经上海电机厂对该转子绕组重新绕制后，再对绕组进行监测，有关数据已恢复正常（阻抗为110 Ω，匝间短路系数为-36%）。机组恢复正常。

2 红外热成像技术应用

利用MCA技术只能用于检测中频发电机的转子绕组是否存在匝间短路，因此要全面检测中频发电机组的定子绕组和轴承、铁芯等机械设备，必须综合运用红外热成像技术、振动测试、电机电流信号分析（MCSA）等方法。

红外诊断技术是设备诊断技术的一种，它是一门不断迅速发展和不断完善的前沿学科，它是利用红外技术来了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体和局部是正常或异常，早期发现故障及原因，并能预测故障发展趋势的技术。红外热成像监测技术就是利用红外热成像仪检测设备，然后运用红外诊断技术对设备进行故障诊断。

与感冒一样，流感的常见症状也是发热、流鼻涕、咽喉肿痛、咳嗽等，但持续高烧还会引起浑身乏力、肌肉痛、关节痛等症状。

2.1红外监测的原理

构成物质的原子、分子都在作热运动，并且在不时地改变其能量状态。当物质由高能量向低能量状态跃迁时就会辐射电磁波，它以光子的形式将能量带走。普朗克利用光量子理论导出了红外辐射能与温度、波长的关系，从而奠定了红外监测的理论基础，即普朗克定律。它说明单位面积的黑体在波长为的单位波长间隔内辐射通量W与其波长和绝对温度T的关系为：

W=1-5(e2/λT-1)-1W/m2（7）

式中第一辐射常数，1=3.74´10-16W·m2；2=1.44´10-2W·K。

该定律指出任何物体只要它的温度高于绝对零度，就有热能转变的热辐射向外部发射。物体温度不同，其辐射的能量不同，且辐射波的波长也不同，但总包含着红外辐射在内。

2.2 红外检测与红外诊断技术

一台运转中的设备，当零部件产生故障时，不论是磨损、疲劳、破裂、变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、熔融、材料劣化、和异常震动等等，这些现象的绝大部分都和其温度的变化相关。因此设备的整体或局部的热平衡也同样要受到破坏或影响，通过热的各种传播方式，设备内部的热必然逐步达到其表面，造成温度场的变化。

利用这些红外辐射的信息，红外热成像仪可以实时显示物体的红外热像图。从红外热像图中可以清楚的观测到物体每个部位的温度。依据红外热像图提供的红外辐射信息，结合对被诊断设备的结构原理、设计、制造、安装、运行和维修方面的实践知识，以及该设备及其零部件过热失效的机理和热力学的知识，可以判断出设备的状态是否正常，分析故障的原因，并预测故障的发展趋势[4-6]。

2.3红外热成像监测技术在电机故障诊断中的应用

某舰左舵机主油泵电机红外热图如图1 所示，轴承温度46.5℃，温升29℃，比相同型号、类似工况的右舵机主油泵电机大12℃。虽然轴承的温升没有达到35℃的最高允许温升，但相对温差达41.38%属于一般缺陷。由于轴温35.9℃比轴承的温度还低，而正常运行的电机转子产生的热量通过轴承传递出来，使得轴温比轴承的温度还高，因此判断轴承存在故障。通过振动检测，发现轴承没有存在异常振动，由此可以推断轴承存在润滑不良，通过添加润滑油脂后轴承恢复正常。

图1 左舵机主油泵电机轴承外热图

通过这个例子，可以发现红外热成像诊断技术可以用来监测设备是否存在异常的工作情况。因此，我们可以利用红外热成像诊断技术辅助电机电路分析（MCA），对中频发电机进行监测。

3 电机电流信号分析方法在中频发电机组监测中的应用

由于同步电机定子参数随转子角度而变，前面介绍的电模拟法不能用来判断定子是否存在故障；也不能简单的通过拿以前的参数进行比较来判断定子的好坏，必须采用新的方法进行监测。

电机电流信号分析（MCSA）方法是分析电机数据的最新技术。该技术目前在分析鼠笼式电机转子断条、轴承故障等方面的应用比较成熟，为现有电机系统的预防性维护提供很多支持。电机电流信号分析（MCSA）方法在发电机故障诊断中的应用，是目前正在研究的前沿科学。

利用MCA技术只能用于检测电机的转子绕组是否存在匝间短路，运用红外热成像技术只能初步判断中频发电机组是否存在不对中或工作异常，不能准确判断出发生异常的部位。因此，要全面检测中频发电机组还必须电机电流信号分析（MCSA）方法，直接测量中频发电机的输出电流和电压是否正常。目前该技术我们正在研究，将在发电机监测领域发挥更大的作用。

例如我们使用电机动态测试仪对发电机励磁电流和电压进行监测，发现1号发电机励磁电流解调后的频谱如图2所示，在50 Hz处有很大的峰值，而其他发电机没有类似现象。而励磁电压的波形如图3所示，具有明显的方波，这是典型的单相整流桥特征。而2号发电机的励磁电压波形如图4所示，是8伏的直流电压调制一些较小的交流谐波，这是三相桥式整流系统的电压波形。比较图5和图6可以看出明显的差别。

图2 维修前励磁电流解调后的频谱图

图3 1号发电机励磁电压波形图

图4 2号发电机励磁电压波形图

经分析认为：机组励磁电路为三相桥式整流，有6个整流二极管，若其中一个整流二极管存在故障，就可能变为单相桥式整流。

通过使用红外热成像仪检查整流二极管，发现其中两组正常工作二极管的红外热图如图5所示。从图中可以看出，正常工作的二极管都有6℃左右的温升，而且可以清晰的看出明显高于环境温度的二极管形状。而其中一组二极管则没有看到明显的温升，进一步检查发现该二极管的接线头断裂，更换接线头后故障排除。

图5 正常工作二极管的红外热图（侧面）

4 结论

从以上分析可知，利用ALL-TEST IV电机故障检测仪能快速测量出电机绕组的阻抗、倍频、电角度及绝缘。通过转子绕组参数比较的方法能够及时、准确地判断出舰艇中频机组的转子是否存在故障。运用红外热成像技术初步判断中频发电机组是否存在不对中或轴承工作异常等故障隐患。电机电流信号分析（MCSA）方法，能直接测量中频发电机的输出电流和电压是否正常，分析励磁系统是否正常工作。综合运用这些方法在中频发电机的监测中能够发现中频发电机组的所有故障隐患。