艦艇中頻發(fā)電機組的故障診斷

鄭小榮，李紅江，高海林

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艦艇中頻發(fā)電機組的故障診斷

鄭小榮1，李紅江2，高海林2

（1. 92957部隊，浙江舟山 316000; 2. 海軍工程大學(xué)電氣工程系，武漢 430033）

本文主要介紹運用電機電路分析（MCA）技術(shù)，使用電機故障檢測儀測量中頻電機轉(zhuǎn)子阻抗、倍頻、絕緣等參數(shù)，通過與原始數(shù)據(jù)或相同型號電機數(shù)據(jù)對比等方法，監(jiān)測電機狀態(tài)。以及探討紅外熱成像、電機電流信號分析（MCSA）方法在中頻發(fā)電機組故障診斷中的綜合運用，提出檢測中頻電機故障的新方法。

中頻機組 故障診斷技術(shù) 電機電路分析（MCA） 紅外熱成像 電機電流信號分析（MCSA）

0 引言

中頻機組在艦艇上主要用于為各武備系統(tǒng)提供中頻電源，是艦艇武備系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其輸出電壓的穩(wěn)定關(guān)系到各系統(tǒng)能否正常工作。某型艦艇在使用過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)中頻機組輸出電壓過低，甚至燒毀電機的現(xiàn)象,因此查找出故障的原因、監(jiān)測電機的狀況并及時預(yù)報故障，關(guān)系到該艦整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的正常使用。在工作中我們根據(jù)艦艇中頻機組結(jié)構(gòu)的特點，利用電機故障檢測儀使用電機電路方法進行全面質(zhì)量監(jiān)控、故障診斷及預(yù)知維修，取得很好的效果。同時為了克服這種方法的局限性，提出綜合利用紅外熱成像技術(shù)和電機電流信號分析（MCSA）技術(shù)進行故障診斷的方法。

1 電機電路分析方法在中頻發(fā)電機組故障監(jiān)測中的應(yīng)用

電機故障檢測儀是目前已在廣為使用的一種智能化測試儀，能快速自動測試電機三相繞組的全部參數(shù)，利用電機電路分析方法（MCA），快速準(zhǔn)確的判斷定、轉(zhuǎn)子故障的程度，診斷微小的匝間短路，具有很高的實用價值。

1.1電機繞組故障特性與測試原理

電機的故障往往始于電機內(nèi)部繞組品質(zhì)變化。由于長期運行或過載，特別是頻繁地啟動及反向，過電流產(chǎn)生的熱量使繞組的絕緣層發(fā)生質(zhì)變，造成初期局部的匝間短路或?qū)Φ囟搪?，?dāng)短路越發(fā)嚴(yán)重時，將導(dǎo)致電機的燒損[1]。

電機故障檢測儀的最大特點就是采用低壓、高頻的交流測試信號，它的核心就是分析電機發(fā)生故障時和的變化對比關(guān)系。根據(jù)電機電路分析方法，電機一相繞組在交變電流下阻抗為公式（1）：

Z=Z+Z=R+jωL （1）

由于采用高頻Z增加了幾倍或幾十倍，而Z不變，這樣就增加了Z對Z的比率，甚至使>>R，更加突出了電感在阻抗中所占的比重，使得任何微小的變化也能顯著的表現(xiàn)出來?；诖耍趯嶋H工作中我們通常采用下面幾種方法來測試電機繞組的故障：

A. 定子三相平衡測試—電流對比法

三相平衡是指三相電機各相阻抗的平衡。電機故障檢測儀對于三相平衡的測試，是利用內(nèi)部電池供電的恒壓源分別測試三個繞組，設(shè)定某一相結(jié)果（電流值）為標(biāo)準(zhǔn)0（100%），比較其他兩相上電流的變化量。由于電壓相同的不同將導(dǎo)致的不同，因此電流變化量Δ即為阻抗變化量Δ。實踐中，無論定子繞組接法是“星型”還是“三角型”，當(dāng)差異超過5%時，電機的性能已大大受損并發(fā)熱，必須立即維修或更換。另外由于轉(zhuǎn)子的互感作用，有故障的轉(zhuǎn)子會影響測試結(jié)果，也就是說轉(zhuǎn)子繞組互感量的差異會導(dǎo)致測試結(jié)果的不平衡。因此這種方法只作為測試的第一步，用于初步檢測電機狀態(tài)的好壞，需要用方法二、三來確認(rèn)故障存在于定子還是轉(zhuǎn)子[2]。

B. 倍頻測試—匝間短路

頻率加倍后電機電流與頻率的對應(yīng)關(guān)系為公式（2）、（3）：

定義倍頻測試值為，即電流在頻率加倍后的變化量如公式（4）：

純電感電路中，=-50%，電流減少一半。純電阻電路中，=-0%，電流不變。

最初無匝間短路發(fā)生的繞組在儀器發(fā)出的高頻電流下，>>R，類似于“純電感電路”；當(dāng)匝間短路發(fā)展到最后，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”向“純電阻電路”的邁進，即值從-50%向-0%的發(fā)展趨勢，值直接說明了電感的失效程度，它能夠作為匝間短路程度的判定依據(jù)。這種方法已為大量的實踐所驗證，十分可靠。

C. 絕緣測試

對于電機的測試，每次都應(yīng)包括絕緣測試。我國的標(biāo)準(zhǔn)是普通電機靜態(tài)下1000 V測試不小于2 MΩ。一旦低于2 MΩ必須及時處理。

1.2中頻機組故障診斷方法

中頻機組一般由一個同步電動機和一個中頻發(fā)電機組合而成。發(fā)生故障時首先表現(xiàn)為輸出電壓下降[3]。根據(jù)公式（5）、（6）：

=4.441NK11(5)

1=/60 (6)

輸出電壓，與磁通和發(fā)電機電流頻率1成正比,也就是與電動機的轉(zhuǎn)速成正比。引起電壓下降的原因，一個是由于發(fā)電機磁通下降，另一個就是電動機的轉(zhuǎn)速降低，還有一種可能就是發(fā)電機定子繞組匝間短路。也就是說無論是電動機還是發(fā)電機的繞組發(fā)生故障都有可能引起輸出電壓發(fā)生變化。由于發(fā)電機和電動機都是同步電機，檢測方法基本相同。因此下面主要介紹同步電機的檢測方法。

實踐中我們發(fā)現(xiàn)，中頻機組經(jīng)常是轉(zhuǎn)子繞組首先發(fā)生匝間短路，而且同步電機轉(zhuǎn)子參數(shù)隨角度變化很小。因此在檢測同步電機時,還需同時檢測幾臺相同型號電機轉(zhuǎn)子參數(shù)，通過這些參數(shù)比較來判斷故障情況。

1.3診斷實例

在某次任務(wù)中某艦發(fā)現(xiàn)一臺中頻機組輸出電壓下降。由于該艦是引俄艦艇，該型號電機沒有可比較的參數(shù)。因此，在該艦找到幾臺相同型號的電機，提取參數(shù)然后進行比較。通過檢測發(fā)現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速正常，因此只對發(fā)電機的繞組進行測量，測得轉(zhuǎn)子參數(shù)如下表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子參數(shù)

從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析看，設(shè)備4中頻機組的轉(zhuǎn)子阻抗已大大低于正常值，倍頻值也降低，這說明繞組可能已出現(xiàn)嚴(yán)重的匝間短路。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備4中頻機組的轉(zhuǎn)子確實已存在匝間短路，經(jīng)上海電機廠對該轉(zhuǎn)子繞組重新繞制后，再對繞組進行監(jiān)測，有關(guān)數(shù)據(jù)已恢復(fù)正常（阻抗為110 Ω，匝間短路系數(shù)為-36%）。機組恢復(fù)正常。

2 紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用

利用MCA技術(shù)只能用于檢測中頻發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路，因此要全面檢測中頻發(fā)電機組的定子繞組和軸承、鐵芯等機械設(shè)備，必須綜合運用紅外熱成像技術(shù)、振動測試、電機電流信號分析（MCSA）等方法。

紅外診斷技術(shù)是設(shè)備診斷技術(shù)的一種，它是一門不斷迅速發(fā)展和不斷完善的前沿學(xué)科，它是利用紅外技術(shù)來了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體和局部是正?；虍惓＃缙诎l(fā)現(xiàn)故障及原因，并能預(yù)測故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。紅外熱成像監(jiān)測技術(shù)就是利用紅外熱成像儀檢測設(shè)備，然后運用紅外診斷技術(shù)對設(shè)備進行故障診斷。

與感冒一樣，流感的常見癥狀也是發(fā)熱、流鼻涕、咽喉腫痛、咳嗽等，但持續(xù)高燒還會引起渾身乏力、肌肉痛、關(guān)節(jié)痛等癥狀。

2.1紅外監(jiān)測的原理

構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子都在作熱運動，并且在不時地改變其能量狀態(tài)。當(dāng)物質(zhì)由高能量向低能量狀態(tài)躍遷時就會輻射電磁波，它以光子的形式將能量帶走。普朗克利用光量子理論導(dǎo)出了紅外輻射能與溫度、波長的關(guān)系，從而奠定了紅外監(jiān)測的理論基礎(chǔ)，即普朗克定律。它說明單位面積的黑體在波長為的單位波長間隔內(nèi)輻射通量W與其波長和絕對溫度T的關(guān)系為：

W=1-5(e2/λT-1)-1W/m2（7）

式中第一輻射常數(shù)，1=3.74′10-16W·m2；2=1.44′10-2W·K。

該定律指出任何物體只要它的溫度高于絕對零度，就有熱能轉(zhuǎn)變的熱輻射向外部發(fā)射。物體溫度不同，其輻射的能量不同，且輻射波的波長也不同，但總包含著紅外輻射在內(nèi)。

2.2 紅外檢測與紅外診斷技術(shù)

一臺運轉(zhuǎn)中的設(shè)備，當(dāng)零部件產(chǎn)生故障時，不論是磨損、疲勞、破裂、變形、腐蝕、剝離、滲漏、堵塞、熔融、材料劣化、和異常震動等等，這些現(xiàn)象的絕大部分都和其溫度的變化相關(guān)。因此設(shè)備的整體或局部的熱平衡也同樣要受到破壞或影響，通過熱的各種傳播方式，設(shè)備內(nèi)部的熱必然逐步達到其表面，造成溫度場的變化。

利用這些紅外輻射的信息，紅外熱成像儀可以實時顯示物體的紅外熱像圖。從紅外熱像圖中可以清楚的觀測到物體每個部位的溫度。依據(jù)紅外熱像圖提供的紅外輻射信息，結(jié)合對被診斷設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計、制造、安裝、運行和維修方面的實踐知識，以及該設(shè)備及其零部件過熱失效的機理和熱力學(xué)的知識，可以判斷出設(shè)備的狀態(tài)是否正常，分析故障的原因，并預(yù)測故障的發(fā)展趨勢[4-6]。

2.3紅外熱成像監(jiān)測技術(shù)在電機故障診斷中的應(yīng)用

某艦左舵機主油泵電機紅外熱圖如圖1 所示，軸承溫度46.5℃，溫升29℃，比相同型號、類似工況的右舵機主油泵電機大12℃。雖然軸承的溫升沒有達到35℃的最高允許溫升，但相對溫差達41.38%屬于一般缺陷。由于軸溫35.9℃比軸承的溫度還低，而正常運行的電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量通過軸承傳遞出來，使得軸溫比軸承的溫度還高，因此判斷軸承存在故障。通過振動檢測，發(fā)現(xiàn)軸承沒有存在異常振動，由此可以推斷軸承存在潤滑不良，通過添加潤滑油脂后軸承恢復(fù)正常。

圖1 左舵機主油泵電機軸承外熱圖

通過這個例子，可以發(fā)現(xiàn)紅外熱成像診斷技術(shù)可以用來監(jiān)測設(shè)備是否存在異常的工作情況。因此，我們可以利用紅外熱成像診斷技術(shù)輔助電機電路分析（MCA），對中頻發(fā)電機進行監(jiān)測。

3 電機電流信號分析方法在中頻發(fā)電機組監(jiān)測中的應(yīng)用

由于同步電機定子參數(shù)隨轉(zhuǎn)子角度而變，前面介紹的電模擬法不能用來判斷定子是否存在故障；也不能簡單的通過拿以前的參數(shù)進行比較來判斷定子的好壞，必須采用新的方法進行監(jiān)測。

電機電流信號分析（MCSA）方法是分析電機數(shù)據(jù)的最新技術(shù)。該技術(shù)目前在分析鼠籠式電機轉(zhuǎn)子斷條、軸承故障等方面的應(yīng)用比較成熟，為現(xiàn)有電機系統(tǒng)的預(yù)防性維護提供很多支持。電機電流信號分析（MCSA）方法在發(fā)電機故障診斷中的應(yīng)用，是目前正在研究的前沿科學(xué)。

利用MCA技術(shù)只能用于檢測電機的轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路，運用紅外熱成像技術(shù)只能初步判斷中頻發(fā)電機組是否存在不對中或工作異常，不能準(zhǔn)確判斷出發(fā)生異常的部位。因此，要全面檢測中頻發(fā)電機組還必須電機電流信號分析（MCSA）方法，直接測量中頻發(fā)電機的輸出電流和電壓是否正常。目前該技術(shù)我們正在研究，將在發(fā)電機監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

例如我們使用電機動態(tài)測試儀對發(fā)電機勵磁電流和電壓進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)1號發(fā)電機勵磁電流解調(diào)后的頻譜如圖2所示，在50 Hz處有很大的峰值，而其他發(fā)電機沒有類似現(xiàn)象。而勵磁電壓的波形如圖3所示，具有明顯的方波，這是典型的單相整流橋特征。而2號發(fā)電機的勵磁電壓波形如圖4所示，是8伏的直流電壓調(diào)制一些較小的交流諧波，這是三相橋式整流系統(tǒng)的電壓波形。比較圖5和圖6可以看出明顯的差別。

圖2 維修前勵磁電流解調(diào)后的頻譜圖

圖3 1號發(fā)電機勵磁電壓波形圖

圖4 2號發(fā)電機勵磁電壓波形圖

經(jīng)分析認(rèn)為：機組勵磁電路為三相橋式整流，有6個整流二極管，若其中一個整流二極管存在故障，就可能變?yōu)閱蜗鄻蚴秸鳌?/p>

通過使用紅外熱成像儀檢查整流二極管，發(fā)現(xiàn)其中兩組正常工作二極管的紅外熱圖如圖5所示。從圖中可以看出，正常工作的二極管都有6℃左右的溫升，而且可以清晰的看出明顯高于環(huán)境溫度的二極管形狀。而其中一組二極管則沒有看到明顯的溫升，進一步檢查發(fā)現(xiàn)該二極管的接線頭斷裂，更換接線頭后故障排除。

圖5 正常工作二極管的紅外熱圖（側(cè)面）

4 結(jié)論

從以上分析可知，利用ALL-TEST IV電機故障檢測儀能快速測量出電機繞組的阻抗、倍頻、電角度及絕緣。通過轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)比較的方法能夠及時、準(zhǔn)確地判斷出艦艇中頻機組的轉(zhuǎn)子是否存在故障。運用紅外熱成像技術(shù)初步判斷中頻發(fā)電機組是否存在不對中或軸承工作異常等故障隱患。電機電流信號分析（MCSA）方法，能直接測量中頻發(fā)電機的輸出電流和電壓是否正常，分析勵磁系統(tǒng)是否正常工作。綜合運用這些方法在中頻發(fā)電機的監(jiān)測中能夠發(fā)現(xiàn)中頻發(fā)電機組的所有故障隱患。

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Fault Diagnosis of Medium Frequency Generator Set

Zheng Xiaorong1, Li Hongjiang2, Gao Hailin2

(1. 92957 Forces, Zhoushan 316000, Zhejiang, China; 2. Naval Univ. of Engineering, Department of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China)

U472.9

A

1003-4862（2016）08-0048-04

2016-03-29

鄭小榮（1972-），男，高級工程師。研究方向：艦艇機電設(shè)備故障診斷。