基于振动和电流频谱特征的电机转子断条诊断研究

李鹏，王彬

（华电电力科学研究院有限公司，杭州 浙江 310030）

电动机故障主要有定子、转子及负载故障，在转子故障中转子笼条断裂故障出现频率最高，是影响电动机使用寿命的主要原因之一。如果能够在电动机转子断条故障早期发现和诊断，及时排除隐患，可大幅降低由转子断条引起的电动机故障给企业生产所造成的影响。早在20 世纪70 年代，美国对核反应堆内部的电动机进行的状态监测和相关研究表明，电动机电流会受电机内部的故障情况所影响，因此，研究开发出了相关的电流信号调理技术，运用此项技术对电流信号进行处理、分析，从而为确定电动机故障问题提供支撑。

循环水系统的功能是将冷却水（海水）送至高低压凝气器去冷却汽轮机低压缸排汽，以维持高低压凝气器的真空，使汽水循环得以继续。循环水的供应情况直接影响机组的安全稳定运行，目前火力发电厂中因循环水泵故障引起的机组非停事件时有发生，因此，循环水泵的安全运行极为重要。

本文详细阐述了一起基于振动频谱和电流频谱分析技术的循环水泵电机转子笼条故障检测及分析诊断过程，进一步总结了电机转子笼条断裂故障的一般分析方法，对异步鼠笼式电机笼条断裂故障的分析诊断具有参考和指导意义。

1 故障发现与初步诊断

某电厂发电机组采用两台长沙水泵厂生产的立式轴流式循环水泵，电机为湘潭电机集团有限公司生产的型号为YKSL3800-16 立式电机，极数16，额定功率3800kW，额定电压6000V，额定电流466.2A，额定转速370rpm。

该电厂A 循环水泵在运行过程中电机驱动端附近（电机东侧面中下部）存在较大振动，2018 年7 月16 日振动值高达93mm/s，振动严重超标。

检修人员对该泵进行了排查，对东侧面冷却器螺栓进行紧固后，未发现其他明显问题，7 月18 日，测试振动值仍有38mm/s，振动仍严重超标。

2 精密诊断分析方法及过程

2.1 异步鼠笼式电机转子笼条故障机理

理论上，理想情况下异步电机定子电流频率是单一成分的电源频率fL，当转子电流回路出现故障时，在定子的电流频谱图上，与电源频率相差二倍转差频率(±2sf)处将各出现一个边带。

电机电源频率表达式如下：

式中，n 为电机同步转速，p 为电机极对数。

极通过频率可以进行如下计算：

式中，n0为电机实际转速。

2.2 基于振动频谱特征分析的电机转子断条故障诊断分析

某次测试A 循环水泵电机振动时，发现该电机驱动端频谱低频段3X、4X 周边出现0.91Hz 边带，且峰值不低。测试电流时电机转速为371.6rpm。该电机为16 极，同步转速计算为375rpm，经过计算极通过频率=（375-371.6）×16÷60=0.91Hz，与电流频谱边带频率重合，因此判断该0.91Hz 边带是极通过频率边带。循环水泵电机驱动端频谱见图1。

图1 循环水泵电机驱动端频谱

在A 循环水泵电机驱动端解调频谱图中，发现100Hz 峰值非常明显，表明转子可能存在偏心或内部磁场不均匀，见图2。

2.3 基于电流频谱特征分析的电机转子断条故障诊断分析

在电机电流频谱中，电机极通过频率表现为工频的边带。在频谱中，电源频率和极通过频率处均会出现峰值。工频峰值与极通过频率边带峰值的幅值之差(即dB-Down 值)是转子笼条健康的状态评价指标，评判标准见表1 所示。

图2 循环水泵电机驱动端解调频谱

表1 电动机电流分析严重等级和推荐行动表

为准确判断该分量是否是电机内部故障导致，于次日进行了该电机定子单相二次电流检测，在电流谱图中可见明显电源频率50Hz 有边带，边带为0.93Hz。该电机为16 极，同步转速计算为375rpm，测试电流时电机转速为371.5rpm，经过计算极通过频率=（375-371.5）×16÷60=0.93Hz，与电流频谱边带频率重合，判断电机存在极通过频率边带，计算dB-down 值=112-76.7=35.3dBV，比对异步电动机转子断条等级判定表，在36-42dBV 范围内，为等级6，结合电机驱动端及自由端解调谱中100Hz 峰值非常明显，表明转子存在严重的转子断条故障。

图3 循环水泵电机定子单相二次电流局部放大谱图

2.4 综合诊断结论

通过振动频谱和电流频谱特征，并结合现场情况综合分析，最终判断A 循环水泵电机已经出现严重的转子断条故障问题，建议尽快安排设备返厂检修。因机组在迎峰度夏高峰期内，机组负荷高，循环水量需求大，不能满足停运条件，应缩短检测周期，加强跟踪趋势，返厂检修前，尽量减少启动次数和运行时间，故障劣化时应及时停运。

3 设备问题处理

3.1 解体检修验证

2018 年9 月21 日该机组调停，利用机组停运时机，及时对A 循环水泵进行检修处理，9 月23 日拆卸电机后返厂解体，发现A 循泵电机转子笼条两端均断裂有23 条，单侧断裂及单侧断裂另一侧有裂纹共34 条，总计57 条，如图4。

其中发现电机转子表面出现多处放电现象，笼条表面电腐蚀情况严重，判断该电机所有转子笼条均存在明显的劣化，决定对该电机转子所有转子笼条进行整体更换。拆卸下所有笼条发现大部分笼条出现发电污痕，局部出现电腐蚀情况，如图5。验证了基于振动和电流频谱的判断。

图4 循环水泵电机转子笼条图

图5 循环水泵电机笼条电腐蚀情况

3.2 修后情况跟踪

复测检修后的A 循环水泵电机单相二次电流，发现电流频谱正常，dB-down 值为112.2-48=64.2dBV，比对异步电动机转子断条等级判定表，＞60dBV 为等级1，状态优良。现设备运行正常，见图6。

图6 循环水泵电机单相二次电流频谱

4 转子笼条故障诊断总结

电机转子笼条故障的诊断，首先要对电机异常现象进行分析，现场查看是否存在电机本体和轴承温度过热、电流波动较大、启动时间延长、负载设备（泵或风机）力矩减小等现象。如有上述问题出现，则可能存在转子笼条故障。其次，对电机进行振动分析和电流频谱精密诊断分析。一般电流频谱检测设置的采样频率和采样点数相对较高，极通过频率特征反应灵敏，准确性较高，因此，建议电动机转子笼条故障分析主要利用电流频谱技术手段进行诊断分析。振动频谱检测由于采样参数设置等原因在分析电气故障方面灵敏性不高，但如果在振动频谱中电机工频出现极通过频率边带，可以判断电机存在至少一个笼条断裂情况，所以，振动频谱分析可以作为电机转子笼条故障诊断的重要辅助手段。如果电机存在转子不平衡、联轴器不对中、轴承磨损等非电气类故障，在振动频谱中可以更直观反映出来。而在实际生产中，电机很有可能同时存在多种故障类型，灵活运用振动分析和电流频谱分析等方法，并结合设备运行情况和现场实际情况，才能够准确诊断出故障类型，及时发现设备存在的缺陷。

5 结语

火力发电厂中有大量采用鼠笼式异步电动机驱动的旋转机械设备。如本文中的循环水泵为发电企业重要辅机，作为火电厂冷却水循环系统中的重要组成部分，对火电厂安全经济运行十分重要，针对夏季高温情况，如该设备发现断条事故导致停运，会导致机组降出力或非停，同时，因该类事故发电企业自身不具备修复能力，必须返厂检修，机组运行时如发生该问题会对检修计划造成被动局面。通过对电动机电流频谱进行的有预见性分析，可以准确地识别出转子笼条断裂故障的早期征兆，对转子故障发展趋势作出准确判断，从而减少因事故停机带来的损失。通过精密点检振动和电流频谱诊断技术，及时准确地诊断出设备故障，避免了一次设备二类障碍的发生，有利于及时制定检修计划，保障机组的安全经济运行。