油田高压电机综合故障诊断技术研究

张 冉

中国石化胜利油田技术检测中心 （山东 东营 257000）

高压电机因功率高、转矩大和抗冲击能力强等优点，广泛应用于石油石化行业中。油田注水用离心泵，炼化企业中的高压水泵、空气分离装置、液氨输送泵、蒸馏装置用加热鼓风机等广泛采用6kV和10kV高压电机驱动。中国石化HSE管理体系中，高压电机的安全运行是重要的考核指标之一。石油化工企业工艺生产连续性强，驱动重要设备的高压电机一旦中断正常工作，将造成较大的经济损失，同时有些重要生产过程的恢复困难，对相关生产流程造成重大影响。此外，高压电机容量较大，发生故障时的破坏力也较大，故障时可能引起负载和周围设备的损坏；当发生接地故障时，高压电机外壳将直接带6kV或者10kV高压电，严重威胁工作人员的生命安全。因此，高压电机的状态检测和故障诊断是保证设备安全运行的重要工作。

1 振动监测

1.1 振动参量的选取

激振源是使被测物体产生振动的重要手段，在主动式测量中应选用激振器作为激振源，可以对被测物体施加振动特性已知的振动，以充分了解研究对象的振动状态和各种振动参数。如果被测对象较大或其他原因，无法对被测对象实施主动式测量，则可以采用被动测量的方法，即依靠自然振动，如风、浪、地震等作用于被测物体上使其产生振动，也可依靠振动体工作时所产生的振动作为振动源，通过测量这些振动，来分析被测物体的振动特性。

选用研究对象的工作振动作为激振源的另一个非常重要的作用是根据所测的振动值来判断机械工作的状态。由于机械的振动频率基本上在10～10000Hz的范围内，所以一般选用速度值作为测量参数。国际标准ISO 2372和ISO 3945把设备轴承座壳体上的振动速度值作为判断设备状态的标准。这种用全频域的振动速度值进行的诊断，一般说来是有效的，特别是对机械设备整体状态的故障有较强的诊断能力。振动速度的大小是诊断设备是否正常的最好指标之一，因此ISO 2372和国家标准都选用了速度量作为评价标准，但根据目前的测试水平，速度量的直接测试比较困难，一般都选取加速度量作为测试的主要参数，然后采用模拟积分或数字积分的方法再得到速度量。

1.2 基于三轴加速度传感器的测试方法

通过振动监测准确进行故障诊断的基础和最重要的前提是振动数据的的准确采集，也就是加速度的准确测量。传统的测试方法是在被测部位的3个垂直方向同时放置3个单轴加速度传感器。这种测试方法的缺点:①测试时需要3个单轴传感器，且数据采集接口也需要具备同时采集3个方向数据的能力；②数据采集的同时性难以保证，这直接影响到数据分析的准确性；③设备的某些部位无法在3个方向放置传感器，限制了这种方法的应用场合。为了解决传统加速度测试方法的不足，本文提出了采用三轴加速度传感器进行振动测试分析的方法，如图1所示。

图1 三轴加速度传感器

目前的三轴加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集[1]。三轴加速度传感器能通过1个数据通道同时采集3个方向的振动加速度的数据，简化了测试的线路，同时提高了测试数据的准确性，由于只需1个检测探头，大大增加了振动监测技术的应用范围。

2 电机电流监测

电机电流信号分析法，简称MCSA(Motor Current Signal Analysis)，通过分析电机定子电流，研究其特征信号与故障的对应关系。检测人员可以从电机控制中心方便的评估电机的电气和机械运行状态。为了精确地分析，MCSA系统首先对采集的电压和电流信号进行傅立叶分解（FFT）,然后通过解调分析在工频信号中分离出特征频率用来鉴别故障类型和故障程度。

2.1 高压电机故障特征频率

由于MCSA和振动分析具有类似的规律，因此绝大部分故障具有良好的可识别性:

1）极通过频率（ppf）边带在线频的周围预示转子条故障，且峰值越高，故障的严重性也越大。

2）ppf的谐波边带时常与铸造气孔或转子条松动有关。

3）在线频峰值周围产生“凸起噪声平台”的非ppf边带，常与驱动负载松动或其他驱动问题有关。

4）“凸起噪声平台”的信号与松弛或空穴现象相关。

5）电压中显示的峰值与电气问题相关，如输入电源。电流中显示的峰值只与绕组和机械故障有关。

6）与转速和线频无关的成对峰值通常与轴承问题相关。

2.2 转子分析

MCSA的基本能力之一就是对转子进行故障诊断。转子条断裂、静态偏心和动态偏心是MSCA可以评估转子问题的3种基本类型。转子条断裂通常被认为是因为基频附近存在滑差频率边带，当这些边带达到或超过-35dB（正常应低于35dB）时，认为检测出现故障。例如，一台60Hz电机系统中，转速1760rpm，其旋转频率为:1760/60=29.33Hz。同步频率为:（2×60）/4=30Hz，那么滑差频率为:（30-29.33）×4=2.68Hz。如果2.68Hz边带出现在60Hz频谱峰值左右，并有-40dB大小，那么转子就存在断条。

静态偏心可以在高频频谱中确定。静态偏心发生在中心频率CF（CF定义为:转子条数（RB）乘以转频（RF）或定子槽数乘以转频）。CF即有线频的N倍边带，其中N是奇整数。例如，前面提到的1760 rpm电机，已知RB为47，其基本频率将是29.33×47=1378.5Hz，若存在静态偏心，则CF有60Hz、180Hz等边带。动态偏心与静态偏心不同的是，在静态偏心基本频率边带左右也有转频边带。表1为转子故障评价标准与建议。

2.3 定子分析

对电机绕组进行故障诊断，首先确定定子槽通过频率（SP）。CF等于定子槽数乘以转频。当SP边带出现在CF左右时表明存在故障。例如，29.33（转频）×42（槽数）=1231.9（CF）。 如果 CF 有转频边带，那么定子就存在机械的或电气的劣化。通过确定中心频率，可以判断机械不平衡，47（RB）×29.33（RF）=1378.5（CF）。定子典型故障频谱特征见表2。

表1 转子状态评价

表2 电机定子故障特征

3 综合故障诊断实例

3.1 测试方法

将振动监测与电机电流信号分析相结合，对诊断结论相互印证，综合诊断高压电机的运行状态，从而实现高压电机故障的提前预警[2]。电机轴承振动检测中采用FLUKE810三轴加速度传感器，其放置位置如图2所示。其中，位置1为电机轴承的主动端，位置2为从动端。采用美国Old Saybrook的测试仪器ATPOL对电机的电压电流进行采集[3]，测试过程中要注意:①确认测量模式处于相—相测量方式；②尽量准确获取电机参数，包括名牌转速、额定电压、电流和功率，此外轴承数据和定转子槽数有助于更准确地对注水电机进行故障诊断；③电流测试时，保证电流流向与电流钳标定正方向一致，如果测试系统超过600V，需通过CT和PT连接，这时要正确输入CT和PT的变比；④确定电压和电流正确的连接。三相相位差约为120°；⑤采集10s电压和电流数据，检查低频解调电流，对转子和负载相关的运行状态进行故障诊断，检查高频解调电流和电压，诊断定子绕组和机械相关的问题[4]。

图2 电机轴承振动诊断测试示意图

3.2 诊断结论

图3 三轴振动速度频谱

对某注水高压电机进行了轴承振动检测，对加速度进行积分得到速度频谱图，如图3所示。通过分析3个方向的振动频谱，电机的轴承存在可能存在磨损故障[5]。同时采集了电机三相电压电流信号，对数据进行了傅立叶变换和解调分析，发现电机电流存在明显的谐波畸变现象，原始电流波形和FFT波形如图4（a）、（b）所示。低频解调电流的分析表明，电机的轴承可能存在机械方面的问题，与振动监测给出的结论一致。检测人员将电机转子抽出检查，发现轴承外套已经存在较严重的磨损现象，验证了检测结果的准确性。在电机修理厂对该轴承进行了更换之后重新进行了测试，结果显示正常。

图4 MCSA分析波形

4 总结

采用三轴加速度传感器进行高压电机的振动分析诊断可以同时采取3个方向的振动数据，提高了诊断结果的准确性。通过与电机电流信号分析法相结合，从而可以实现高压电机的综合故障诊断。本文分析了三轴加速度传感器的工作原理和测试方法，将该方法应用于高压电机轴承的故障诊断分析，采用电流信号分析法对高压电机的定子、转子的电气和机械工作状态进行了检测，现场试验结果验证了该方法的准确性。

[1]刘宇,鞠文斌,刘羽熙,等.加速度传感器的检测应用研究进展[J].计算与测试技术,2010,37(10):24-25.

[2]李井水.基于振动信号分析的油田注水机组故障诊断研究[D].大庆:大庆石油学院,2005.

[3]王浩,何振宇,武彩虹,等.电厂用高压电动机故障分析与处理[J].大电机技术,2006(4):27-30.

[4]茹秀敏,董贵恒.高压电动机保护的设计[J].水利电力机械,2006,28(9):51-53.

[5]田建国,屈凯.高压交流电机常见故障分析及预防措施[J].装备制造技术,2012(2):105-107.