王明軍， 張曉謹(jǐn)

(秦皇島融大工程技術(shù)有限公司，河北秦皇島 066004)

0 引言

過(guò)熱和振動(dòng)是最常見的電機(jī)故障。其中軸承、繞組由于過(guò)熱而導(dǎo)致電機(jī)燒毀的故障，要比振動(dòng)故障多得多。振動(dòng)故障比較直觀，故障的惡化相對(duì)緩慢，直接或間接反映的故障有限。過(guò)熱故障原因較多，表觀性差，故障惡化較快，過(guò)熱現(xiàn)象能夠直接或間接反映的故障也是電機(jī)最多見和所占比例相當(dāng)大的故障。因此，監(jiān)測(cè)溫度對(duì)于保證電機(jī)正常運(yùn)行、分析故障原因尤為重要。

由于制造、測(cè)量保護(hù)成本昂貴等原因，一般針對(duì)較大容量的電機(jī)，在軸承、繞組部位安裝不同類型鉑熱電阻傳感器，并引出到電機(jī)外殼上的傳感器接線盒中，再通過(guò)信號(hào)電纜送至溫度顯示儀表，或由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程測(cè)取數(shù)據(jù)。

鑒于各種鉑熱電阻傳感器的熱響應(yīng)時(shí)間τ0.5相差較大，特別是固定螺紋式鉑熱電阻傳感器的測(cè)溫端處于測(cè)溫孔的空氣熱室中，與測(cè)溫孔壁、底部非直接接觸，加上軸承套存在熱阻，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)軸承外圈、軸承套、測(cè)溫?zé)崾抑械目諝鈱?，再傳遞到傳感器的測(cè)溫端，勢(shì)必存在溫度降。因此，測(cè)溫?cái)?shù)值與實(shí)際溫度存在較大的時(shí)間差，導(dǎo)致報(bào)警、保護(hù)滯后和失控。

1 電機(jī)的多部位溫度測(cè)量

(1)由于電機(jī)軸承和繞組是運(yùn)行中過(guò)熱故障最多、導(dǎo)致燒損頻繁的部位，對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)是必不可少的。

(2)除此之外，鐵心也是電機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重的部位，鐵心過(guò)熱同樣預(yù)示著存在故障，如鐵心片間短路、局部鐵心損壞、高次諧波較嚴(yán)重、繞組匝間短路、定轉(zhuǎn)子摩擦、風(fēng)道堵塞、冷卻介質(zhì)溫度不正常等，對(duì)于較重要的電機(jī)，鐵心溫度的測(cè)量也不容忽視。

(3)負(fù)載波動(dòng)、冷卻介質(zhì)溫度的變化、冷卻風(fēng)扇缺損、轉(zhuǎn)子斷條等故障，將導(dǎo)致出風(fēng)口風(fēng)溫發(fā)生變化。因此，監(jiān)測(cè)出風(fēng)口溫度，也有益于電機(jī)的保護(hù)和故障診斷。

2 電機(jī)的多方式溫度測(cè)量

(1)常見的各種電機(jī)，其溫度測(cè)量都是采取溫度上限測(cè)量的方式。通過(guò)安裝在負(fù)荷側(cè)和非負(fù)荷側(cè)軸承室、三相繞組端部或槽內(nèi)的測(cè)溫傳感器，對(duì)軸承、繞組的工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)被測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定溫度上限的闕值時(shí)，表明此部位過(guò)熱，超過(guò)許用值，發(fā)出報(bào)警保護(hù)信號(hào)。該溫度上限測(cè)量的方式，只是監(jiān)控被測(cè)部位的溫度上限，對(duì)于被測(cè)部位的溫度不平衡、低溫環(huán)境下的溫升過(guò)度情況，起不到保護(hù)作用。特別是在負(fù)載波動(dòng)嚴(yán)重，溫度急劇升高時(shí)，不能有效預(yù)警和保護(hù)。

(2)溫差測(cè)量方式。電機(jī)運(yùn)行中，某一側(cè)軸承的振動(dòng)、潤(rùn)滑脂過(guò)少或缺油、軸承晚期損傷、某一側(cè)軸瓦間隙過(guò)小或供油不良、軸瓦潤(rùn)滑油溫過(guò)高及軸電流等，都將會(huì)引起兩側(cè)軸承溫度存在溫度差。同樣，某一相繞組匝間短路、缺相運(yùn)行、三相電壓或電流嚴(yán)重不平衡、定轉(zhuǎn)子鐵心摩擦、局部鐵心損壞或短路、局部風(fēng)道堵塞等，將引起繞組之間存在溫度差。由于繞組、鐵心等埋置測(cè)溫元件的測(cè)溫點(diǎn)往往不是發(fā)熱的最高部位，溫度上限測(cè)量的有效性受到限制。因此，對(duì)溫差進(jìn)行測(cè)量，有利于在隱患發(fā)展成更嚴(yán)重故障之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

(3)溫升測(cè)量方式。電機(jī)繞組的溫升限值標(biāo)準(zhǔn)是以環(huán)境溫度40℃為基礎(chǔ)制定的。溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，標(biāo)志著電機(jī)的發(fā)熱程度，如電機(jī)溫升突然增大，說(shuō)明電機(jī)有故障，如:風(fēng)道阻塞或負(fù)荷太重。在使用環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度偏低情況，如寒冷地區(qū)、野外工作條件下，電機(jī)的過(guò)負(fù)載、繞組匝間或?qū)娱g短路、電壓或電流不平衡、電網(wǎng)電壓偏高或電源諧波分量較大、風(fēng)道堵塞或通風(fēng)不良、轉(zhuǎn)子斷條或匝間短路等故障，會(huì)出現(xiàn)繞組溫升超過(guò)限值，但可能并未超過(guò)絕緣等級(jí)許用的溫度上限，也就是說(shuō)，在環(huán)境溫度較低時(shí)，溫升過(guò)高表明超過(guò)設(shè)計(jì)溫升值，屬于不正常情況。其次，測(cè)溫傳感器處于散熱較好的部位，若達(dá)到上限，其他熱點(diǎn)已嚴(yán)重超限，對(duì)此部位只能用溫升值測(cè)控。另外，低負(fù)荷時(shí)溫升突然增大時(shí)，也預(yù)示出現(xiàn)故障。監(jiān)測(cè)溫升的另一個(gè)重要意義是:盡管低溫下過(guò)負(fù)載溫度沒(méi)有超過(guò)絕緣等級(jí)允許的上限，但是其他部件(軸承、轉(zhuǎn)軸)也不允許過(guò)負(fù)載。因此，對(duì)溫升進(jìn)行測(cè)量，具有重要意義。

(4)溫度變化率測(cè)量方式。電機(jī)軸承、繞組溫度在正常運(yùn)行和故障早期時(shí)，溫度的變化率不大，溫度也沒(méi)達(dá)到溫度值超限報(bào)警的上限，而過(guò)負(fù)載或故障后期時(shí)，溫度急劇上升。溫度通常傳導(dǎo)比較遲緩，加上傳感器熱響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等原因，往往溫度值超限報(bào)警信號(hào)還沒(méi)發(fā)出，在較短的時(shí)間內(nèi)軸承、繞組就已經(jīng)燒毀，使得安裝了溫度傳感器和報(bào)警保護(hù)裝置的電機(jī)，照樣經(jīng)常發(fā)生軸承、繞組燒毀事故。溫度變化率測(cè)量方式，就是在極短的時(shí)間內(nèi)，判斷出溫度變化增量過(guò)大，預(yù)示將有超溫故障出現(xiàn)，超前發(fā)出報(bào)警或保護(hù)信號(hào)，克服了熱響應(yīng)、熱傳遞時(shí)間的影響，使設(shè)備不被燒毀，真正體現(xiàn)出狀態(tài)預(yù)知監(jiān)測(cè)的目的。

3 電機(jī)的全方位溫度測(cè)量

(1)動(dòng)態(tài)采樣?，F(xiàn)有的溫度測(cè)量方式，無(wú)論是巡回檢測(cè)儀表，還是計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程測(cè)取數(shù)據(jù)，都采用固定的采樣周期，按設(shè)定的采樣周期進(jìn)行間隔數(shù)據(jù)采集，不能反映每次間隔期間的溫度劇烈變化。根據(jù)被測(cè)對(duì)象的溫度變化率，調(diào)整采樣周期，即被測(cè)對(duì)象比較穩(wěn)定時(shí)，采樣周期間隔較長(zhǎng)，當(dāng)被測(cè)對(duì)象變化劇烈時(shí)，采樣周期間隔自動(dòng)縮短，可以更精確地檢測(cè)溫度變化狀態(tài)，使溫度測(cè)量始終處于動(dòng)態(tài)之中。

(2)電機(jī)的全方位溫度測(cè)量就是多部位測(cè)溫和多方式測(cè)溫的結(jié)合，并實(shí)施動(dòng)態(tài)采樣，對(duì)被測(cè)部位進(jìn)行溫度上限、溫差、溫升及溫度變化率的全面測(cè)量。這樣，當(dāng)被測(cè)部位的溫度超過(guò)許用溫度上限，或者相同部件之間出現(xiàn)較大溫度差別，或者在低溫狀態(tài)下繞組溫升過(guò)高，或者被測(cè)任何部位的溫度變化率過(guò)快，無(wú)一例外，都被納入測(cè)量范圍，使得電機(jī)的報(bào)警與更加有效。

4 電機(jī)本機(jī)測(cè)溫

(1)對(duì)于普遍使用的中小容量電機(jī)，一般都沒(méi)有自帶測(cè)溫裝置，運(yùn)行中只有采用紅外測(cè)溫等方法，人工測(cè)量軸承室外部的溫度，通常很長(zhǎng)時(shí)間巡回點(diǎn)檢一次，不能連續(xù)跟蹤電機(jī)溫度波動(dòng)變化情況，更不能測(cè)量電機(jī)內(nèi)部繞組、鐵心的實(shí)時(shí)溫度狀況。

(2)狀態(tài)檢測(cè)大多采用各種檢測(cè)設(shè)備來(lái)采集反映設(shè)備狀態(tài)的信號(hào)和參數(shù)，然后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)掌握的故障征兆和狀態(tài)參數(shù)，判斷故障所在，并預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)。這些步驟基本上是分離進(jìn)行的，如使用紅外測(cè)溫儀、熱成像儀在規(guī)定周期采集數(shù)據(jù)，然后人工或利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析、判斷是否存在故障或隱患，再根據(jù)溫度變化曲線預(yù)測(cè)發(fā)展情況，整個(gè)過(guò)程滯后數(shù)據(jù)采集很長(zhǎng)時(shí)間，往往分析診斷還沒(méi)完成，電機(jī)已經(jīng)燒毀，成為“死后驗(yàn)尸”，即便是巡回檢測(cè)的儀表，也需要人工記錄數(shù)據(jù)，再進(jìn)行分析判斷，達(dá)不到預(yù)知監(jiān)測(cè)的效果。

(3)本文所述的“本機(jī)”測(cè)溫，就是在電機(jī)本體上安裝一個(gè)電機(jī)智能自診斷裝置，將電機(jī)軸承、繞組等部位安裝的傳感器引線接入該溫度測(cè)量裝置，所測(cè)各部位的溫度在此裝置的顯示屏上直接顯示。

(4)電機(jī)本機(jī)測(cè)溫的意義在于:

①日常點(diǎn)巡檢工作十分準(zhǔn)確方便，巡檢人員在電機(jī)本體上，可以方便地觀看到所有測(cè)溫部位的實(shí)時(shí)溫度，并可調(diào)出查看此前發(fā)生過(guò)熱的部位和數(shù)據(jù);

②數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障識(shí)別、發(fā)展預(yù)測(cè)融為一體，大大簡(jiǎn)化了狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序，降低人工監(jiān)測(cè)成本，使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)升級(jí)成更高級(jí)別的狀態(tài)診斷;

③減少購(gòu)置投資不菲的狀態(tài)檢測(cè)診斷設(shè)備，降低對(duì)監(jiān)測(cè)、診斷人員的技術(shù)水平要求。

5 電機(jī)故障智能診斷

常規(guī)的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)控制裝置不具備反映故障類型能力，發(fā)生故障電源切斷后，也需要人工或輔助其他測(cè)試手段來(lái)進(jìn)行原因分析，有時(shí)還需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和各種歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，才能確定故障原因，因而大多數(shù)電機(jī)在使用現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法判斷故障原因，耽誤時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。

究其各種過(guò)熱故障原因，基本分成獨(dú)立性過(guò)熱故障和并發(fā)性過(guò)熱故障兩大類。獨(dú)立過(guò)熱故障現(xiàn)象及原因如下:同一時(shí)間段，單獨(dú)某一個(gè)測(cè)溫傳感器反映出過(guò)熱現(xiàn)象，如負(fù)載側(cè)軸承過(guò)熱，或某一相繞組過(guò)熱，將其稱為獨(dú)立性過(guò)熱故障。以交流電機(jī)為例，某一側(cè)滾動(dòng)軸承過(guò)熱的原因可能有:該軸承潤(rùn)滑脂過(guò)多或過(guò)少;該軸承內(nèi)、外圈、滾動(dòng)體或保持架早期損傷，氣隙不對(duì)稱、對(duì)中不良，軸電流較大等。某一相定子繞組過(guò)熱的原因可能有:該相繞組接線處故障、匝間或?qū)娱g短路，電壓或電流不平衡、電壓過(guò)高，局部鐵心損壞、短路，局部通風(fēng)散熱較差等。并發(fā)過(guò)熱故障現(xiàn)象及原因如下:同一時(shí)間段，兩個(gè)或兩個(gè)以上的測(cè)溫傳感器反映出過(guò)熱現(xiàn)象，如兩側(cè)軸承同時(shí)過(guò)熱，或某一側(cè)軸承和某一相繞組同時(shí)過(guò)熱等，將其稱為并發(fā)性過(guò)熱故障。如果交流電機(jī)軸承和繞組并發(fā)過(guò)熱，其原因可能有:嚴(yán)重過(guò)負(fù)載;電源諧波嚴(yán)重，并形成軸電流;轉(zhuǎn)子多處斷條并偏心;冷卻介質(zhì)溫度過(guò)高等。定子繞組、定子鐵心、出風(fēng)口同時(shí)反映過(guò)熱，原因就是散熱條件太差或冷卻介質(zhì)溫度過(guò)高了。

可見，過(guò)熱征兆部位不同，其故障的原因也不同，監(jiān)測(cè)和反映過(guò)熱征兆的部位越多，過(guò)熱原因越少，故障的判斷就越容易。在全方位監(jiān)測(cè)下，故障征兆更直接顯現(xiàn)，因此診斷更為方便準(zhǔn)確。

傳感器反映出的上述各種過(guò)熱現(xiàn)象，通過(guò)微處理器的分析，可用故障代碼的形式在微型顯示屏上表示出來(lái)，即某一通道傳感器過(guò)熱，顯示屏則提示出該通道號(hào)和故障代碼，如果是多個(gè)傳感器反映過(guò)熱，則在顯示屏上輪流提示相應(yīng)通道號(hào)和故障代碼。那么，用戶只需要根據(jù)故障通道號(hào)和代碼，或?qū)φ諈⒖脊收媳?，就可迅速判斷故障的大體原因，實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障提示性智能診斷的能力。

6 實(shí)施與效果

電機(jī)智能自診斷裝置實(shí)施前述本機(jī)測(cè)溫與故障智能診斷。

(1)測(cè)溫通道多達(dá)8個(gè)，滿足單臺(tái)電機(jī)靜止部件的常規(guī)測(cè)溫點(diǎn)的需要。交流電機(jī)可對(duì)負(fù)荷側(cè)軸承溫度、非負(fù)荷側(cè)軸承溫度、ABC三相繞組溫度、鐵心溫度、出風(fēng)口溫度、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等同時(shí)進(jìn)行測(cè)量;或?qū)ω?fù)荷側(cè)軸承溫度、非負(fù)荷側(cè)軸承溫度、ABC三相繞組溫度各兩路測(cè)溫。直流電機(jī)可對(duì)負(fù)荷側(cè)軸承溫度、非負(fù)荷側(cè)軸承溫度、勵(lì)磁繞組溫度、換向繞組溫度、主極鐵心溫度、換向極鐵心溫度、出風(fēng)口溫度、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等同時(shí)進(jìn)行測(cè)量;也可對(duì)潤(rùn)滑油溫度或需要的其他部位溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不用的傳感器通道可留作備用。由于智能自診斷裝置通用性、互換性強(qiáng)，超過(guò)8通道測(cè)溫點(diǎn)，可以使用兩個(gè)或多個(gè)時(shí)間統(tǒng)一校準(zhǔn)的智能自診斷裝置測(cè)溫，即多測(cè)一方式，便于互換、降低成本。對(duì)于同軸電機(jī)、臨近的若干臺(tái)電機(jī)的指定測(cè)溫點(diǎn)，也可用一個(gè)智能自診斷裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即一測(cè)多方式。偶爾測(cè)試的測(cè)溫點(diǎn)，可在數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)儲(chǔ)后，將智能自診斷裝置拆下，達(dá)到移動(dòng)測(cè)試記錄的作用。

(2)適用傳感器形式:PT100等或其他分度號(hào)的各種熱電阻傳感器，通用的三線制接法。測(cè)溫范圍-50℃ ～+250℃;測(cè)溫精度＜±0.5℃;測(cè)溫分辨率達(dá)0.1℃。

(3)8通道同步動(dòng)態(tài)采樣，采樣周期10～600 s，采樣信息包含對(duì)應(yīng)時(shí)間信息、通道號(hào)。智能自診斷裝置斷電可短時(shí)繼續(xù)采樣。單獨(dú)供電的可在斷電后長(zhǎng)時(shí)間采樣記錄數(shù)據(jù)。

(4)顯示方式為L(zhǎng)ED或LCD點(diǎn)陣顯示屏，每秒鐘8通道同步刷新顯示一次。

(5)報(bào)警、保護(hù)為軸承、繞組、鐵心、出風(fēng)口、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等溫度超限;軸承、繞組等溫差超限;定子線圈溫升超限;軸承、繞組、鐵心、出風(fēng)口、環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度等溫度變化率超限。不同通道的超限報(bào)警闕值可單獨(dú)設(shè)定，傳感器診斷及故障顯示等。

(6)供電電壓為單相220 V/380 V，可與低壓電機(jī)共用同一電源。

(7)2 G容量數(shù)據(jù)記錄，按采樣周期同步記錄數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)不少于3年。記錄存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，包括測(cè)量通道號(hào)、測(cè)量時(shí)刻、溫度、溫差、溫升、溫度變化率數(shù)值及報(bào)警保護(hù)信息。

(8)RS-232串行接口，滿足集中監(jiān)測(cè)保護(hù)控制要求。

(9)配套設(shè)置和健康管理軟件，便于用戶的不同需要設(shè)定和集中管理。

(10)測(cè)試一臺(tái) Y132S-4，5.5 kW，380 V/11.6 A，1 440 r/min異步電動(dòng)機(jī)，兩端軸承、三相繞組分別安裝WZPM、WZP系列Pt100鉑熱電阻測(cè)溫傳感器。負(fù)荷側(cè)軸承與非負(fù)荷側(cè)軸承的溫差報(bào)警闕值設(shè)定為10℃。當(dāng)負(fù)載超過(guò)25%時(shí)，兩側(cè)軸承檢測(cè)溫度超過(guò)10℃時(shí)，電機(jī)智能自診斷裝置顯示負(fù)荷側(cè)軸承溫差報(bào)警，如表1所示。

表1 電機(jī)智能自診斷裝置顯示負(fù)荷側(cè)軸承溫差報(bào)警

(11)測(cè)試一臺(tái) YKK450-4，220 kW，10 kV/15.9 A，1 488 r/min異步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)兩端軸承和三相繞組已安裝測(cè)溫傳感器。負(fù)荷側(cè)軸承與非負(fù)荷側(cè)軸承的溫差報(bào)警闕值設(shè)定為15℃。三相繞組的溫差報(bào)警闕值設(shè)定為10℃。

將負(fù)荷側(cè)軸承、非負(fù)荷側(cè)軸承傳感器接入智能自診斷裝置的①、②號(hào)通道;A、B、C三相繞組傳感器接入智能自診斷裝置的③、④、⑤號(hào)通道;環(huán)境溫度傳感器接入智能自診斷裝置的⑧號(hào)通道。智能自診斷裝置通電后，提示①號(hào)通道開路，確認(rèn)負(fù)荷側(cè)軸承測(cè)溫傳感器電阻無(wú)窮大，更換傳感器后，顯示測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)正常。

電機(jī)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，斷電6 min前后，智能自診斷裝置提示A、C繞組溫差報(bào)警?？辙D(zhuǎn)測(cè)試溫度數(shù)據(jù)如表2所示。

由于空轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)三相電流平衡，而三相繞組測(cè)試溫度相差超過(guò)10℃，懷疑測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。堵轉(zhuǎn)開始前，三相繞組溫度已相差很大，智能自診斷裝置即提示A、C繞組溫差報(bào)警;堵轉(zhuǎn)15 min時(shí)，智能自診斷裝置提示非負(fù)荷側(cè)軸承溫差報(bào)警。堵轉(zhuǎn)測(cè)試溫度數(shù)據(jù)見表3。

經(jīng)分析，估計(jì)非負(fù)荷側(cè)軸承傳感器②與B相繞組傳感器④，在接入智能自診斷裝置的端口時(shí)有差錯(cuò)。停機(jī)后排查，確認(rèn)系這兩個(gè)傳感器交叉接入智能自診斷裝置的指定端口，導(dǎo)致反映數(shù)據(jù)不正常和溫差報(bào)警。

表2 空轉(zhuǎn)測(cè)試溫度數(shù)據(jù)℃

表3 堵轉(zhuǎn)測(cè)試溫度數(shù)據(jù)℃

7 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)施本機(jī)全方位溫度測(cè)量方式和動(dòng)態(tài)采樣分析，超前智能預(yù)警，可有效診斷電機(jī)的過(guò)熱故障。

(2)智能自診斷裝置將日常點(diǎn)檢和專業(yè)點(diǎn)檢結(jié)合在一起，大大降低了巡檢工作量和人工成本。

(3)電機(jī)智能自診斷裝置集數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)分析儀、程序控制器、數(shù)據(jù)記錄儀功能于一身，不僅實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)檢測(cè)的效果，而且可滿足初步狀態(tài)診斷的需要。

(4)監(jiān)測(cè)對(duì)象多、投資費(fèi)用低，安裝、操作和調(diào)整簡(jiǎn)單，使溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)和在線故障診斷從大型電機(jī)向中小型電機(jī)延伸，更有利于提高電機(jī)產(chǎn)品檔次和升級(jí)。