張寶華，張占軍，黃科馳

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

1 傳統(tǒng)電機(jī)診斷方法存在的問題

目前，海洋石油平臺(tái)廣泛使用異步鼠籠式電機(jī)作為動(dòng)力裝置，海洋石油行業(yè)研究表明，電機(jī)故障53%是軸承故障、不平衡和松動(dòng)等機(jī)械原因；其余47%是電氣原因，其中10%源于轉(zhuǎn)子，如鑄件缺陷導(dǎo)致的不平衡氣隙、斷條等，37%源于定子繞組。電機(jī)機(jī)械故障一直采用傳統(tǒng)的振動(dòng)分析法和紅外檢測(cè)法，電氣故障的診斷則使用絕緣測(cè)試、直流高壓測(cè)試、高壓沖擊測(cè)試和局部放電測(cè)試等方法。傳統(tǒng)測(cè)試手段對(duì)電機(jī)故障的判斷存在一些問題，大多需要解體測(cè)試才能準(zhǔn)確判定故障點(diǎn)。

2003年以來，海洋石油平臺(tái)陸續(xù)應(yīng)用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，一直采集和分析振動(dòng)信號(hào)作為設(shè)備故障診斷的主要方法，主要診斷軸承故障、不平衡、不對(duì)中和松動(dòng)（零部件配合間隙超差）等故障類型。這種診斷方法主要通過振動(dòng)傳感器采集電機(jī)振動(dòng)信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，經(jīng)處理后形成時(shí)域波形，利用FFT轉(zhuǎn)換，形成振動(dòng)頻譜，診斷人員通過時(shí)域和頻域分析，找到振動(dòng)主導(dǎo)頻率。根據(jù)確定具有相應(yīng)振動(dòng)頻率的故障部件，進(jìn)一步確定故障根源，將振動(dòng)幅值與相應(yīng)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確定故障烈度。實(shí)踐證明振動(dòng)診斷技術(shù)對(duì)于軸承故障、不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、軸彎曲等診斷極為有效，但是對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條以及轉(zhuǎn)子和定子偏心等電氣故障的診斷明顯不足，必須借助其他手段才能準(zhǔn)確定位。目前可以利用電機(jī)靜態(tài)測(cè)試診斷（MCA，Motor circuit static analysis）技術(shù)進(jìn)行電機(jī)非解體故障診斷，準(zhǔn)確定位電機(jī)故障性質(zhì)，做出正確維修決策，實(shí)現(xiàn)可靠性維修。

2 MCA技術(shù)測(cè)試及診斷原理

電阻測(cè)試及絕緣測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)線路故障檢測(cè)帶來的問題是，某些大電機(jī)繞組阻值非常低，導(dǎo)致歐姆表無法足夠精確地檢測(cè)故障，而且若存在高阻故障（高于簡(jiǎn)單繞組電路）還會(huì)漏檢；許多電機(jī)雖然出現(xiàn)故障，但電阻仍然保持平衡。目前發(fā)現(xiàn)利用停電狀態(tài)下電機(jī)的電磁特性和高頻電流進(jìn)行相位測(cè)試，從而發(fā)現(xiàn)電機(jī)電路中存在的缺陷已成為可能。MCA技術(shù)的基本原理是將電機(jī)看成1個(gè)包含電阻、電感和電容的復(fù)雜電路進(jìn)行分析。

2.1 阻抗測(cè)試。電機(jī)電路的阻抗和電感直接受轉(zhuǎn)子繞組位置、質(zhì)量以及定子繞組類型，匝間互感和自感的影響，通過阻抗測(cè)試可反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。交流電機(jī)三相平衡是三相阻抗（不是直流電阻）的平衡，阻抗測(cè)試結(jié)果反映轉(zhuǎn)子故障。

2.2 倍頻測(cè)試。阻抗根據(jù)轉(zhuǎn)子位置或故障產(chǎn)生變化，因此必須采用專門方法確定定子本身缺陷，從而區(qū)分出轉(zhuǎn)子故障?？梢酝ㄟ^施加1個(gè)應(yīng)用頻率，設(shè)置電流基準(zhǔn)值完成。將頻率加倍（倍頻測(cè)試）并觀察每相的電流變化比值，這一結(jié)果是對(duì)匝間狀態(tài)的準(zhǔn)確考察。因?yàn)槔@組阻抗的主要成分是電感，倍頻電流變化通常是15%～20%。定義這一變化量為I/F，即匝間短路評(píng)判值。匝間短路發(fā)展過程就是繞組由接近純電感電路，向純電阻電路發(fā)展的過程，即I/F值由-50%向0%發(fā)展的過程（負(fù)號(hào)代表減少）。對(duì)交流電機(jī)三相I/F值的比較，很容易發(fā)現(xiàn)早期微小的匝間短路。如三相測(cè)試結(jié)果分別為-48%、-48%和-47%，表明最后一相有較輕微的匝間短路；-48%、-47%和-43%則表明相間可能發(fā)生嚴(yán)重短路。

3 應(yīng)用實(shí)例

MCA技術(shù)首先在美國(guó)通過了能源部考核，并得到認(rèn)可，此后在我國(guó)能源、鋼鐵等行業(yè)逐步推廣應(yīng)用。2009年，中國(guó)海洋石油中國(guó)有限公司引進(jìn)了MCA技術(shù)。

2013年5月25日，某采油平臺(tái)900 kW注水泵電機(jī)軸承高溫，通過振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)頻譜分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承（已做過維修）診斷為電機(jī)轉(zhuǎn)子條斷裂，導(dǎo)致電機(jī)效率低，電能轉(zhuǎn)化為熱能，造成軸承高溫。建議平臺(tái)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行大修，修復(fù)轉(zhuǎn)子條。

由于修復(fù)電機(jī)轉(zhuǎn)子條必須要將電機(jī)返回陸地解體，然后融掉所有轉(zhuǎn)子條和短路環(huán)，處理鐵芯，再重新澆注轉(zhuǎn)子條和短路環(huán)，進(jìn)行各種相關(guān)測(cè)試后，整個(gè)維修周期至少需要2個(gè)月。作業(yè)公司和平臺(tái)經(jīng)過慎重考慮，決定采用MCA技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障診斷，同時(shí)處理電機(jī)軸承高溫故障。此次采用北京西馬力檢測(cè)儀器有限公司ALL-TESTⅣ電機(jī)靜態(tài)檢測(cè)儀，測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行轉(zhuǎn)子細(xì)化分析。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行盤車測(cè)試，第一次按24等份盤車，即每盤15°度測(cè)試1次電機(jī)的電感和阻抗（表1）。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子細(xì)化曲線（圖1），觀察曲線未出現(xiàn)波形畸變，判斷轉(zhuǎn)子條沒有發(fā)生斷裂。

3.2 為再次確認(rèn)，第二次按48等份盤車，測(cè)量數(shù)值略。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子細(xì)化曲線（圖2），觀察曲線均較正常，表明轉(zhuǎn)子條并未發(fā)生斷裂。

表1 24次盤車測(cè)試數(shù)據(jù)

目前該電機(jī)三相阻抗和電感存在偏差，但電機(jī)轉(zhuǎn)子條并未發(fā)生斷裂?？紤]到以前存在軸承高溫問題，建議對(duì)軸承裝配進(jìn)行檢查，尤其是驅(qū)動(dòng)端，如果裝配方面存在缺陷，也會(huì)在振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子條通過頻率，使故障診斷人員誤判是轉(zhuǎn)子條故障。

隨后，在平臺(tái)拆檢該電機(jī)軸承箱，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端軸承室內(nèi)1個(gè)O型膠圈損壞，造成6222深溝球軸承的定位不準(zhǔn)（該軸承承受轉(zhuǎn)子軸向力），不僅造成軸承高溫，也使轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中的存在定位偏差，造成轉(zhuǎn)子條通過頻率。完善軸承室的裝配后，電機(jī)經(jīng)過空運(yùn)轉(zhuǎn)和負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，均未發(fā)生軸承高溫故障。

此次應(yīng)用MCA技術(shù)，成功避免了一次大型注水電機(jī)因誤診斷而大修，節(jié)省維修費(fèi)用近20萬元。

4 結(jié)束語

電機(jī)故障集電氣與機(jī)械于一體，征兆表現(xiàn)呈多樣性，既有機(jī)械故障的一般特性，也有電氣、磁場(chǎng)等故障特性，因此必須打破傳統(tǒng)診斷觀念，采取多種技術(shù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，綜合分析故障原因和性質(zhì)。故障診斷正確可避免盲目大修，可為海洋石油平臺(tái)設(shè)備維護(hù)節(jié)約大量人力物力，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)“低碳”維修的途徑之一。

圖1 24等份盤車測(cè)試曲線

圖2 48等份盤車測(cè)試曲線

［1］ 孔亞林.基于振動(dòng)信號(hào)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［2］ 豐田利夫.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備診斷的開展方法.1版.機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］ 沈標(biāo)正.電機(jī)故障診斷技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1996.