曾新紅

(廣州航海高等?？茖W(xué)校，廣州 510725)

0 引言

船用電機(jī)是船舶電力系統(tǒng)中的一個(gè)要組成部分, 主要包括船用三相異步電動(dòng)機(jī)，船用三相同步發(fā)電機(jī)， 船用直流電機(jī)以及中頻電機(jī)等。船用電機(jī)由于工作在環(huán)境溫度高、濕度大、有油污及振動(dòng)大的特殊環(huán)境中，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，電機(jī)的整體使用性能及技術(shù)工況會(huì)逐步下降。因此根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行工況，合理排查相關(guān)的電氣設(shè)備安全隱患和制定相應(yīng)的檢修維護(hù)措施、提高故障處理速率、保障船舶電氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命顯得尤為重要。

1 船用電動(dòng)機(jī)故障

船用電動(dòng)機(jī)由于其運(yùn)行環(huán)境的特殊性，易出現(xiàn)各種各樣的故障。電動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，一些結(jié)構(gòu)、部件會(huì)逐漸劣化，逐漸失去原有的性能和功能，加上由于制造、安裝及維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，?huì)出現(xiàn)機(jī)械和電氣方面的故障。一般情況下電動(dòng)機(jī)斷路故障多發(fā)生在繞組的端部、接頭處或引線處等部位[2]。在船舶電機(jī)故障中，軸承故障是常見故障之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)常見故障中軸承故障的發(fā)生幾率高達(dá)41%[5]另外還有常見故障是轉(zhuǎn)子偏心和絕緣故障。這些常見故障導(dǎo)致的故障現(xiàn)象有：(1)起動(dòng)困難或根本不能起動(dòng)；(2)電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)和產(chǎn)生噪音；(3)電動(dòng)機(jī)溫升過高或冒煙。下面為船用電機(jī)常見故障及其消除方法。

1.1 電機(jī)軸承故障

軸承故障是電機(jī)故障中發(fā)生概率最高的, 軸承異常易產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。滾動(dòng)軸承損壞，不但噪聲加大，而且還會(huì)使電機(jī)振動(dòng)加劇（如軸承氣隙過大）。電機(jī)軸承偏心或徑向軸承損傷，導(dǎo)致產(chǎn)生徑向震動(dòng)加強(qiáng)，轉(zhuǎn)子軌跡會(huì)產(chǎn)生橢圓或雜亂現(xiàn)象[3]。原因可能是軸承安裝未對(duì)正，制造偏差，或是機(jī)殼變形引起軸承滑位，或是軸承安裝不當(dāng)，軸承缺油或油中進(jìn)雜質(zhì)，或是軸承磨損，滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圓和滾動(dòng)體損壞，滑動(dòng)軸承油膜震蕩等。船舶電機(jī)軸承故障的檢驗(yàn)方法[5]有多種：溫度診斷方法、振動(dòng)診斷方法、基于參數(shù)辨識(shí)法、瞬時(shí)功率分析法和氣隙轉(zhuǎn)矩分析法等，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)與局限性。對(duì)于實(shí)際工作中遇到的情況，應(yīng)考慮不同狀況進(jìn)行分析應(yīng)用何種方法來判定軸承的好壞。進(jìn)而調(diào)整軸承位置,或是根據(jù)軸承的損壞程度，更換軸承。

1.2 轉(zhuǎn)子故障

轉(zhuǎn)子故障有轉(zhuǎn)子本身的故障和轉(zhuǎn)子繞組的故障。制造缺陷或受負(fù)載沖擊促使鍵連接松動(dòng)，繼而造成鐵心、支架松動(dòng)或開裂是造成轉(zhuǎn)子故障的主要原因。轉(zhuǎn)子匝間短路、斷條，或轉(zhuǎn)子零部件脫落和轉(zhuǎn)子端環(huán)移位卻易造成轉(zhuǎn)子不平衡，從而產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪音。當(dāng)是由于安裝未校對(duì)平衡而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)，可用配重的方法[1]使其平穩(wěn)。轉(zhuǎn)子繞組絕緣損傷、過熱、或污垢積存易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，出現(xiàn)電流擺動(dòng)，三相電流不平衡現(xiàn)象。由于設(shè)計(jì)、制造缺陷、或長(zhǎng)期過載,焊接不良導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子繞組斷條、開焊,會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電流擺動(dòng)，起動(dòng)困難。船用電機(jī)的斷條多出在重負(fù)荷、反復(fù)正反轉(zhuǎn)起動(dòng)的電機(jī)上，如錨機(jī)電動(dòng)機(jī)，絞纜機(jī)電動(dòng)機(jī)等[1]，其故障現(xiàn)象是斷條電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有周期性的振動(dòng)與噪聲。直流電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)，會(huì)出現(xiàn)換向火花加大現(xiàn)象。

一種簡(jiǎn)單實(shí)用的轉(zhuǎn)子斷條檢查方法：將疑有斷條的電機(jī)通以低壓交流電（以轉(zhuǎn)子不動(dòng)為宜），再用手緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，測(cè)量各相電流。若轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置電流表指示變小，則說明轉(zhuǎn)子有斷條。初步確定轉(zhuǎn)子斷條后，再用短路檢查器確定到底斷了多少根。一般當(dāng)轉(zhuǎn)子斷條根數(shù)大于轉(zhuǎn)子槽數(shù)的七分之一以上時(shí)，必須更換轉(zhuǎn)子繞組，少量的斷條對(duì)電機(jī)的出力影響不大[1]。

關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障，國內(nèi)外很多學(xué)者都有進(jìn)行研究。利用采集定子電壓和電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析[10]，能準(zhǔn)確的檢測(cè)出定子轉(zhuǎn)子斷條、繞組匝間短路、軸承磨損等各種常見故障；采用單相功率頻譜分析法[11]具有診斷靈敏度高、對(duì)采樣分辨率要求低的優(yōu)點(diǎn)，適用于感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條故障診斷。由上海交通大學(xué)研究所與立新船廠合作研究的超聲波無損探傷技術(shù)[4]也是一種能快速判定船用電機(jī)轉(zhuǎn)子嵌條斷裂情況的無損檢測(cè)方法，在對(duì)船用不同類型的電機(jī)轉(zhuǎn)子嵌條進(jìn)行檢測(cè)研究中，能正確無誤地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子嵌條的情況。文獻(xiàn)[12]中提出的一種基于小波分析、自適應(yīng)濾波與連續(xù)細(xì)化傅立葉變換的轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)新方法，可以避免負(fù)載波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)的影響，大大提高了轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.3 定子故障

電動(dòng)機(jī)定子故障主要是定子繞組短路故障、定子繞組接地故障和定子繞組斷路故障。定子繞組出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)引起氣隙磁場(chǎng)的畸變,從而或多或少的引起轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心。如果三相交流電動(dòng)機(jī)定子繞組發(fā)生短路故障時(shí)，繞組的自感、互感將發(fā)生變化。定子電流的高次諧波明顯增強(qiáng)，從而導(dǎo)致三相電流之間的相位差發(fā)生變化。所以可以采用基于定子電流相位的診斷方法[3]來判定定子繞組有無短路故障。由于制造工藝的原因，實(shí)際的電機(jī)不可能完全對(duì)稱。所以，一般當(dāng)三相電流的不對(duì)稱程度大于8%，且三相電流之間的相位差偏差120°的最大值超過7°時(shí)，可判定定子繞組出現(xiàn)短路故障。

定子繞組接地故障后，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼帶電，繞組過熱，從而導(dǎo)致短路，造成電動(dòng)機(jī)不能正常工作。檢查定子繞組接地故障的方法很多，不管使用何種方法，在具體檢查時(shí)首先應(yīng)將各相繞組接線端的連接片拆開，然后再分別逐相檢查是否有接地故障。實(shí)踐證明，電動(dòng)機(jī)的接地點(diǎn)絕大部分發(fā)生在線圈伸出鐵心端部槽口的位置上。所以可用觀察法，檢查其相關(guān)部位絕緣有無破裂和燒焦發(fā)黑的痕跡。如沒有這些跡象，則接地點(diǎn)可能在槽里。用萬用表檢查法檢測(cè)時(shí)，先將三相繞組之間的連接線拆開，使各相繞組互不接通。然后將萬用表的量程旋到 R×10 kΩ 擋位上，將一只表筆碰觸在機(jī)殼上，另一只表筆分別碰觸三相繞組的接線端。若測(cè)得的電阻較大，則表明沒有接地故障；若測(cè)得的電阻很小或?yàn)榱?，則表明該相繞組有接地故障。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組發(fā)生斷路故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，甚至不能啟動(dòng)。大量的實(shí)踐證明，定子繞組斷路故障大多數(shù)發(fā)生在繞組端部、線圈的接頭以及繞組與引線的接頭處。常用的定子繞組斷路故障的檢查方法有：萬用表法； 檢驗(yàn)燈法；三相電流平衡法； 電阻法等。采用檢驗(yàn)燈法檢查時(shí)，將電池與一小燈泡串聯(lián)，兩根引線分別與某相繞組的首尾相連，如有并聯(lián)支路，卻應(yīng)拆開并聯(lián)支路的連接線，使之互不接通。如果燈不亮，則表明繞組有斷路故障。測(cè)量方法如圖 1所示。

圖1 （a）繞組△型接法 (b)繞組Y型接法

1.4 電機(jī)絕緣故障

由于船舶運(yùn)行環(huán)境的特殊性，電機(jī)的絕緣故障也時(shí)有發(fā)生。盡管世界各國對(duì)船用電機(jī)的制造都制定了特殊的要求和標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)期以來船用電機(jī)的絕緣研究也受到電機(jī)界和造船業(yè)的高度重視。但船用電機(jī)絕緣失效問題依舊存在。其中，絕緣性能劣化，繞組的機(jī)械性能和耐電性能不足是電機(jī)絕緣失效的主要原因。一些船用電機(jī)在設(shè)計(jì)和制造中為了降低成本，偷工減料，加上制造工藝的缺陷，導(dǎo)致繞組絕緣性能下降。又由于船用電機(jī)工作在環(huán)境溫度高、濕度大、有油污的潮濕的海洋環(huán)境中，導(dǎo)致絕緣層壽命縮短。

電機(jī)絕緣問題應(yīng)從電機(jī)繞組絕緣材料和工藝、電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)工作環(huán)境和日常維護(hù)幾個(gè)方面去分析和解決，設(shè)備要定期檢查保養(yǎng)，使船用電機(jī)的絕緣狀況良好，提高船用電機(jī)的安全性和可靠性，為船舶安全航行提供保障。

對(duì)于電機(jī)絕緣失效導(dǎo)致電機(jī)燒壞等故障發(fā)生的原因，可采用改進(jìn)絕緣、加裝鹽霧過濾器和改進(jìn)風(fēng)道設(shè)計(jì)等措施以提高船舶電機(jī)可靠性[11]。為防止電機(jī)絕緣故障可適當(dāng)增加B—F級(jí)通用無溶劑漆的浸漆次數(shù)來提高絕緣性能。

2 發(fā)電機(jī)故障

船舶發(fā)電機(jī)是整個(gè)船舶的核心，一旦發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，不但影響船舶日常照明，而且影響船舶的航行安全和作業(yè)。一般船舶都配備有三臺(tái)發(fā)電機(jī)，根據(jù)船舶負(fù)荷的大小選擇單機(jī)或并網(wǎng)運(yùn)行，盡管如此，船舶發(fā)電機(jī)故障也時(shí)有發(fā)生。

其中，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障是較易發(fā)生的問題之一。文獻(xiàn)[6]和[7]分別對(duì)TFX-H型船舶發(fā)電機(jī)和HYUNDAI無刷同步發(fā)電機(jī)故障進(jìn)行了分析，均為勵(lì)磁系統(tǒng)故障。文獻(xiàn)[6]對(duì)TFX—H型發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)階段出現(xiàn)的三種故障進(jìn)行了分述，并闡述了對(duì)各種故障的排除過程。文獻(xiàn)[7]對(duì)無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及故障排查作了詳細(xì)的分析。成功解決了某集裝箱輪所配HYUNDAI無刷同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)故障的成因及排除過程。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如果發(fā)電機(jī)需要并聯(lián)運(yùn)行，那么空載電壓應(yīng)相等，且調(diào)壓調(diào)差系數(shù)盡可能相同。并且負(fù)荷分配要合理，包括有功負(fù)載及無功負(fù)載，否則易導(dǎo)致并網(wǎng)不成功。文獻(xiàn)[8]對(duì)船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)常見故障作了較詳盡的闡述，并提出了相關(guān)的改進(jìn)控制措施。

綜合上述船用電機(jī)各種故障類型及成因，為避免船用電機(jī)盡可能少發(fā)生故障，要注意以下幾點(diǎn)：（1）選擇額定數(shù)據(jù)和技術(shù)條件規(guī)定符合船舶特殊環(huán)境要求規(guī)格的電機(jī)。（2）應(yīng)盡量避免同步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)的頻繁起動(dòng)。（3）由于環(huán)境變化對(duì)直流電動(dòng)機(jī)影響較大，因此在使用直流電機(jī)時(shí)應(yīng)保證良好的使用環(huán)境。(4)在船用電機(jī)的維修保養(yǎng)中，拆卸線路時(shí)一定要做好標(biāo)記。

3 結(jié)束語

船用電機(jī)在長(zhǎng)久的運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障是不可避免的，了解并熟悉船用各種電機(jī)的易發(fā)故障機(jī)理和消除、防范措施對(duì)船舶的安全航行有重要意義。上述船用電機(jī)故障情況，既有制造工藝、加工質(zhì)量的原因，也有現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)的原因，因此，在電機(jī)的日常運(yùn)行、檢修和維護(hù)工作中，應(yīng)加強(qiáng)電機(jī)的監(jiān)測(cè)工作和檢修維護(hù)管理，確保船用電機(jī)的正常運(yùn)行。

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