趙巧洪，何能全

（1.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都617000；2.二灘開發(fā)公司錦屏電廠，四川成都610031）

0 前言

鼠籠式三相交流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，在生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用。尤其是6 kV及以上高電壓等級的電動機(jī)，電壓高、容量大，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，保證電機(jī)的可靠運(yùn)行有著非常重要的意義。

據(jù)某省電力試驗(yàn)研究所1995～1997年對該省11個大型火電廠數(shù)千臺大型高壓電動機(jī)的故障情況所做的調(diào)查，122臺故障電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子斷條故障占27臺[1]。大型交流鼠籠式異步電機(jī)因其體積大，解體檢查困難，一般維護(hù)僅限于定子回路，如定子繞組絕緣測試、直流電阻測試、軸承檢查等常規(guī)維護(hù)，而對轉(zhuǎn)子檢測較少。轉(zhuǎn)子斷條后，不及時發(fā)現(xiàn)和處理，一定會導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步發(fā)展，最后引發(fā)轉(zhuǎn)子大面積損壞或鼠籠條脫落損壞定子，導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故發(fā)生。如在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率增大，定子電流和輸入功率增加，啟動時間明顯加長，甚至無法啟動，運(yùn)行時，電動機(jī)還伴有劇烈的振動，噪聲增大等現(xiàn)象。因此，尋找一種簡便、易于實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子檢測技術(shù)對電機(jī)維護(hù)有非常重要的意義。

1 常見鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子檢測技術(shù)

研究人員一直在尋找一種簡易可行的檢測異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)的方法，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一些研究成果。根據(jù)轉(zhuǎn)子斷條或靜、動態(tài)偏心時，氣隙中產(chǎn)生諧波磁通量，在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，以及它對供電頻率的調(diào)制作用，引起鐵芯振動、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等技術(shù)指標(biāo)和定、轉(zhuǎn)子電阻的變化的特點(diǎn)，檢測這些變化量，作為故障特征信號，以此進(jìn)行故障診斷。常見的方法如下。

（1）參數(shù)估計(jì)法：讓電動機(jī)在定載、變載等不同的工作情況下運(yùn)行，同時采集定子電壓和定子電流，由正常電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理得到多階故障模型及其輸出方程，根據(jù)已知條件算出故障電阻，將該值與電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子電阻相比較即可判斷轉(zhuǎn)子有無故障[2]。這種方法的缺點(diǎn)在于需要電動機(jī)結(jié)構(gòu)方面的大量數(shù)據(jù)，而且計(jì)算復(fù)雜。

（2）信號分析法：定子電流檢測——使用頻譜分析法和派克相量法，通過檢測定子電流從而確定電動機(jī)轉(zhuǎn)子故障；感應(yīng)電壓檢測——在電動機(jī)內(nèi)部定子齒、定子軛或在外部機(jī)座上放置探測線圈，當(dāng)電動機(jī)完好時，線圈中的感應(yīng)電壓頻率為基頻頻率，而當(dāng)轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂時，氣隙磁場中出現(xiàn)一個反向旋轉(zhuǎn)的磁場使得氣隙磁場發(fā)生畸變，并以轉(zhuǎn)差頻率脈動，從而確定轉(zhuǎn)子故障；轉(zhuǎn)矩諧波檢測——對轉(zhuǎn)矩頻譜進(jìn)行分析，根據(jù)其2倍轉(zhuǎn)差頻率的有無判斷轉(zhuǎn)子故障是否存在。

（3）人工智能法：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、模式識別等技術(shù)。

2 轉(zhuǎn)子鼠籠斷條后的電磁特征

當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障后，轉(zhuǎn)子繞組的對稱性被破壞，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢將在定子繞組中產(chǎn)生頻率為(1-2s)f1的電流分量。定子電流中的(1-2s)f1頻率的電流分量與氣隙磁場作用，使電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生2sf1頻率的波動，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生2sf1頻率的波動，在氣隙中出現(xiàn)頻率為（1±2s）f1的磁通成分，從而在定子繞組中感應(yīng)出（1±2s）f1頻率的電勢和電流，

式中，fbrb——定子電流中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子斷條故障頻率；

f1——電源頻率；

k——自然數(shù)k=1,2,…；

s——電動機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)差率。

通過對鼠籠式異步電動機(jī)的定子電流進(jìn)行頻譜分析，檢測其是否含有fbrbl頻率的諧波，即可判斷電動機(jī)是否發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障，一般只檢測(1-2s)f1頻率分量即可。

3 簡易綜合參數(shù)估計(jì)法的轉(zhuǎn)子檢測原理及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

簡易綜合參數(shù)估計(jì)法實(shí)際是基于參數(shù)估計(jì)法，它利用鼠籠式異步電動機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂后會在定子線圈中感應(yīng)出(1-2s)f1頻率電流分量的特征，通過測量觀察電流、電壓大小、頻率及波形的波動情況來判斷轉(zhuǎn)子是否發(fā)生斷條以及發(fā)生斷條的程度。

試驗(yàn)原理接線圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)原理接線圖Fig.1 Circuit of the detection

其中ou、ov、ow為電動機(jī)定子三相繞組。

試驗(yàn)方法：在電動機(jī)靜止時，分別給電動機(jī)的任意兩個抽頭加壓（uv、uw、vw），在不同的電流值時，手動盤車，轉(zhuǎn)動電動機(jī)轉(zhuǎn)子（速度1r/10s），在一個周期內(nèi)記錄繞組電壓、電流、頻率偏移值，并觀察波形的變化。

以下為二灘水電廠6 kV電壓等級、容量260 kW三臺電機(jī)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，其中1號電動機(jī)為完好電機(jī)，2號電機(jī)有1根鼠籠條斷裂，3號電機(jī)有11根鼠籠條斷裂。1號、2號電機(jī)所加電流為0.3A、0.5A、0.7A、0.9A、1.5A、2A、3A、4A；3號電機(jī)所加電流0.3A、0.4A、0.5A、0.6A、0.8A、1A、1.3A、1.9A。

部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1～3。

根據(jù)以上測量數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）1號電動機(jī)，即完好電動機(jī)的各個參數(shù)（電流、電壓、波形）基本沒有變化。

（2）通過1號、2號、3號這三臺電動機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子斷條可以由電流波、電壓、波形這些參數(shù)反映出來，即此方法可以作為檢驗(yàn)鼠籠條斷條（一根及以上）的方法。

（3）經(jīng)過對2號、3號電動機(jī)電流偏移量與所施加電流大小的關(guān)系的分析可以得出，所加電流值越大，電流波動越明顯。轉(zhuǎn)子斷條越嚴(yán)重，電流波動越明顯。

（4）經(jīng)過對2號和3號電壓偏移量與所施加電流大小的關(guān)系表分析可以得出，轉(zhuǎn)子斷條越嚴(yán)重，電壓波動越明顯。同時，對于斷條嚴(yán)重的電動機(jī)，電壓偏移的幅度隨施加電流大小的增加而增加。

表1 1號電動機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1:Test data of the motor No.1

表2 2號電動機(jī)電壓偏移量與所施加電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2:Voltage deviation and current of the motor No.2

表3 3號電動機(jī)電壓偏移量與所施加電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3:Voltage deviation and current of the motor No.3

（5）相對于1號電動機(jī)，有斷條的電動機(jī)波形有明顯的變化。

（6）1號、2號和3號頻率變化不明顯，基本不變。

4 簡易綜合參數(shù)估計(jì)法的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：該方法所需設(shè)備儀器較少，檢測快速，判斷準(zhǔn)確，不需要對電機(jī)進(jìn)行解體，檢測成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：該方法比較適合于已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂的電機(jī)的檢測，無法對發(fā)展中的缺陷進(jìn)行預(yù)測，無法對電機(jī)轉(zhuǎn)子的潛在缺陷進(jìn)行預(yù)測。

綜合參數(shù)估計(jì)法的意義：鼠籠式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子斷條很少時，電機(jī)仍可以繼續(xù)運(yùn)行，簡易綜合參數(shù)估計(jì)法能及時準(zhǔn)確檢測出轉(zhuǎn)子斷條故障，有效防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，因此該轉(zhuǎn)子檢測方法的應(yīng)用前景非常廣闊?！?/p>

[1]吳國沛，任陣，管霖，等.鼠籠式異步電動機(jī)常見故障的分析與診斷[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27(10)：52～57.

[2]寧玉泉.籠型感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子故障時的參數(shù)計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17(4)：84～88.

[3]張龍照,邱阿瑞.用頻譜分析方法檢測異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子故障[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1987，(4)：46～50.