电特性检测在舰艇交流电机故障诊断中的应用

刘 磊，董自虎

（1.中国人民解放军92730部队装备部，海南三亚 572016； 2.海军驻438厂军事代表室，武汉 430060；3.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074）

0 引言

电机作为当前最为常见的将电能转换为机械能的执行机构，有着结构简单、可靠性高、负载可选、转速可调、价格低廉、维护方便、寿命长等优点，在现代舰艇上得到广泛应用。总的来说，船用电机也分为交流和直流两种类型电机。其中，交流电机主要用于为系统提供动力、压力和扭矩，如水泵、油泵、风机和空压机等设备上，直流电机主要用在推进系统、交直流变流系统、船用拖带系统以及调节机构中。正是电机在舰艇上数量众多、作用关键，它的性能水平直接影响着整首舰艇的战技术水平，它的技术状态对舰艇至关重要。

目前，在舰船研制、生产、服役的生命周期里，确保船用电机处于良好技术状态必须做好三个方面工作：一是把好电机源头质量关，引进噪音小、发热低、寿命长的新型电机，通过具有军工研发生产资质的渠道采购优质电机，坚决杜绝质量低下有缺陷的电机上舰使用；其次是在服役期间，操作人员应具有良好的使用习惯，应严格按照操作规程使用和保养电机，并在压力、电流、温度以及互为备用电机的切换时机等实际操作环境寻求最优参数组合，以避免电机故障，使其寿命最长化；第三是引入先进的主动维修思想，加强电机的状态监测和故障诊断，提前找出故障隐患加以排除。

通过实践证明，加强电机状态监测和故障诊断能够有效预防电机故障发生，这对确保电机处于良好技术状态尤为重要。

1 电机的故障

电机由于制造工艺、使用条件及其他突发情况造成电机运行故障，轻则发热、失速，重则电机烧毁引起重大事故。根据电气和电子工程师协会（IEEE）在《IEEE Std C493-2007（Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems）》《IEEE Std C37.96-2012（IEEE Guide for AC Motor Protection）》中通过对工业和商业设施中的1141台电机出现的380起故障进行了统计出电机出现故障部位及概率，如表1所示[1,2]。

表1 电机出现故障部位及概率

美国电力研究学会(EPRI)关于电机的研究报告称：电机故障约有53%源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等；约47%源于电气原因，其中，如匝间、相间短路等出现在定子绕组的故障约占37%，如铸件缺陷导致的不平衡气隙、断条等出现在转子的故障约占10%[3]，如图1所示。

图1 EPRI报告中电机各类故障比例

正如表1和图1所示，电机的故障多种多样，发生时机和故障机理也不相同，舰艇上的电机由于长期在高湿、高盐、高温和平台起伏的海洋环境工作，更容易产生故障。而且电机故障往往在一瞬间发生，事故的发生以及之后的停机维修为执行作战训练任务造成严重影响，也给舰艇的安全带来巨大的安全隐患。因此，提前发现故障隐患显得尤为重要。

2 电机状态的检测技术

上个世纪90年代开始，欧美发达国家提出了“以可靠性为中心的维修模式（RCM）”，主动维修和预先维修得以应用和发展，而作为技术支持的检测技术成为了维修的关键环节，并随着科技的发展，逐步形成了一门多领域、高科技的应用学科。在长期的发展下，电机的检测根据方法不同形成了动态机械检测、动态电气检测、静态电气检测三大技术：

2.1 动态机械检测（DMT）

动态机械检测（Dynamic mechanical testing，DMT）是基于电机运行期间，采集电机运行时的振动、噪声、温度等物理参数，通过分析判断电机当前的技术状态。常见的检测手段有振动测量（包括频谱分析、波形分析等）、红外检测、超声诊断、轴承脉冲检测等。

2.2 动态电气检测（DET）

动态电气检测（Dynamic electrical testing，DET）同样是基于电机运行期间，对电机的电压、电流、功率、效率等参数进行测量，通过分析判断电机当前的技术状态。常见的检测手段有电压不平衡检测、电源质量检测、动态效率检测以及动态电机电流分析等。

2.3 静态电气检测（SET）

静态机械检测（static mechanical testing，SET）是在电机停机期间或者安装前，对电机的绝缘、绝缘电阻、直流电阻等参数进行测试从而判断电机是否处于正常的技术状态。常见的检测方法有欧姆表测量、绝缘电阻检测、高压绝缘测试、LCR测试、浪涌测试、静态电机电路分析等。

3 交流电机的电特性检测

交流电机电特性的概念没有官方定义，它是源于海军监测领域的习惯用法。我们将三相交流电机未通电时，每两相之间测得的电阻（R）、电感（L）、阻抗（Z）、相角（Fi）、倍频（I/F）以及绝缘等参数的组合称为该电机的电特性。通过综合分析各参数的搭配情况，可以判断电机的状态。电特性检测是一种简单易用、快速精确，并对舰艇装备没有影响的检测手段。目前，国外已在舰艇上广泛推广该技术，我国也在基地级监测中进行了普及。

3.1 交流电机电特性的提出

在电机检测中，采用以往常规的电气检测方法只能进行绝缘、阻值、效率、电压是否平衡等基本电气故障，对部分阻值变化微弱的早期匝间短路，阻抗和相角不平衡产生的三相不平衡，定子故障等都无能无力。而且这些方法不能判断出故障的严重程度，不能确定电机还能使用多长时间，更不能判定故障出现的部位。

以此为背景，电特性检测对早期匝间、层间、相间短路的可靠检出，并能判断故障源于定子还是转子的强大优势被人们所关注。美国BJM（桑美）公司以此为基础推出用于电特性检测的ALL-TEST 31、ALL-TEST 4、ALL-TEST 4 PRO 2000等一系列检测设备，并将这种检测方法统称为MAC技术。

3.2 电特性检测的原理

电特性检测的基本原理是将交流电机等效成为一个包含有电阻、电容和电感的电路，如图2所示[4]。

图2 电机的等效电路

在实际检测中，用于电特性测量的仪器可以输出所需要的测试交流电，并将相关参数的采集计算集成在仪器中，只需操作仪器就可以获全部电特性参数。

3.3 电特性检测的核心

电特性检测技术与众不同之处在于对交流电机的阻抗和倍频进行测试，这也是其核心所在。

其中，阻抗平衡测试有别于常规电压平衡测试，通过阻抗可以容易判断转子故障（铸件缺陷、气隙不均衡、偏心、断条断环）和绕组故障（匝间、层间、相间短路；绝缘缺陷），为电机状态给出一个总体评估。

倍频测试则可以直接指示定子绕组本身是否存在匝间短路。由图2可以知道，当电机没有匝间短路时，测试仪器向电路中输出高频电流，感抗远大于电阻，即，此时电路近似于纯电感电路；如果一旦发生匝间短路并进一步发展到最后时，电感失效，电阻就会远大于感抗，即，此时电路近似于纯电感电路。

当电路为纯电感电路时，即电流减少一半；

当电路为纯电阻电路时，即电流不变；

当电路为纯电容电路时，即电流增加一倍。

从上面可以看出，电机的匝间短路的产生和发展实际上电机等效电路从纯电感电路向纯电阻电路发展的过程，同样倍频值也是从-50%向0发展的过程。因此，倍频值的变化就可以直接表示电机匝间短路的程度。

3.4 电特性检测的评判

3.4.1 三相平衡的评判

三相平衡的判定目前采用 IEEE国际标准，该标准是基于IEEE通过15年的测试数据考核得到，如表2所示[3]。

表2 IEEE电机三相平衡标准

表中的数据均是采用每两相所测电特性数据求得偏移值进行比对。其中，倍频I/F和相角Fi为任意两相测量值之差的绝对值得到的最大值，电感，阻抗。

目前，阻抗测试已经被公认为较直流电阻测试能更为精确地判断三相平衡问题，因此该标准已成为美能源部推荐的电机质量评判依据。

3.4.2 PENROSE评判准则

PENROSE评判准则的制定者是美国现任DREISILKER ELECTRIC MOTORS公司副总裁Howard W.Penrose博士，也是美国BJM公司前总经理。Howard W.Penrose博士一直从事电机系统测试和电机可靠性设计的研究。他提出的PENROSE评判准则主要有两方面的内容：精确区分定子与转子故障的评判准则。取表2中数据比较，当三相电感L和阻抗Z保持“平行关系”时，三相不平衡的原因来自转子；当三相电感L和阻抗Z不是“平行关系”时，三相不平衡的原因多来自定子绕组的过热或污染。

精确区分匝间、层间、相间故障的评判准则。取表2中数据比较，当Fi与I/F同时>2时，有同相、同绕组的匝间短路；当Fi>1，且I/F平衡时，有同相绕组中的线圈间短路，即层间短路；当Fi平衡，且I/F>2时，有相间短路。

4 电特性检测的实际应用

电特性检测已经作为一项必要工作，与电机振动测量、电机轴承脉冲测量、电机红外测量一起纳入电机日常检测四项内容。所配置仪器操作简单，可以一次性读取所测两相的所有电特性参数。为避免拆卸电机，通常把测量位置选在电机配电箱处，找准电机的三相供电接线，一般配电箱用U、V、W标识。

4.1 海水泵检测实例

某舰艇海水泵电机，电压380 V，功率30 kW，转速2960 r/min，立式安装。2007年9月在停机期间进行电特性检测，数据如表3所示。

将表3数据按表2中IEEE电机三相平衡标准进行评判，该电机处于良好状态。

2008年3月再次检测，数据如表4所示。

根据标准判定，该电机存在严重的三相不平衡，通过PENROSE评判准则，此时三相电感Z和阻抗L保持“非平行关系”，可以推断电机不平衡是源于定子绕组，再观察相角Fi与倍频I/F可以发现，Fi与I/F同时>2，因此判定为同相、同绕组的匝间短路。

后据了解，该舰艇在此期间参加长时间的训练任务，机械设备使用强度大，保养次数少，造成电机恶化严重。考虑到倍频值偏离严重，为避免匝间短路发展成电机烧毁事故，将电机更换，返厂重新对定子进行绕线。

表3 海水泵电机电特性数据(2007）

表4 海水泵电机电特性数据(2008）

4.2 凝水泵检测实例

某舰艇造水系统中的凝水泵电机，电压 380 V，功率23 kW，转速2970 r/min，立式安装。在2008年坞检期间有舰员反映，该电机运行时排量和压力不足，有异常振动和噪声。通过振动测试，初步判断系统转子不平衡。但考虑到舰员在岗位巡查时所测得电流有波动，怀疑电气故障的可能性较大，因此对该电机进行电特性检测，数据如表5所示。

表5 凝水泵电机电特性数据(2008）

从表5中数据可以看出，虽然电阻、倍频、相角均保持平衡，但电感和阻抗出现严重不平衡，且不是呈现平行关系。结合振动测试的不平衡现象，初步判断为转子出现故障。

后经拆检发现，电机已经发生转子断条。从这个例子可以看出，简易检测中只测量电阻的方法并不能有效地发现故障，电阻平衡，但阻抗不一定平衡。

5 结论

1)通过类似海水泵检测实例可以总结出，电机的状态是随着使用而恶化，长期采集电机的电特性参数，摸索变化规律，掌握电机寿命期间电特性的变化曲线，可以有效检测出电机所处状态，并推断出电机的剩余寿命。

2)通过凝水泵的检测实例，我们可以看出电特性检测不是万能的手段，在对电机进行状态评估时，应采用多种方法相结合，动态静态相结合，与历史数据相结合，进行综合评估和判断。

3)通过电特性检测十几年在海军各舰艇部队实际应用所取得的良好效果，证明电特性检测是一种对电机行之有效的检测方法。在IEEE的推荐下，美国BJM（桑美）公司生产的ALL-TEST系列电特性检测设备也在世界各地获得了广泛应用，在国内 许多行业也取得了良好效果。

4)电特性检测是主动维修思维模式下的产物，它是基于可靠性为中心的维修模式。许多通过这种方法检测出带有故障隐患的电机还可以继续使用，对于部分规模小，以性价比为依据，维修模式还停留在事后维修的厂矿企业，并未将电特性检测作为电机评判的手段。但是，在舰艇上电机必须时刻保持良好状态以便随时投入战斗，军事效益远大于经济效益的情况下，对电机开展预防性维修，电特性检测是必不可少的。

[1]IEEE Std 493™-2007.Design of reliable industrial and commercial power systems.IEEE Power and Energy Society,2007.

[2]IEEE Std C37.96™-2012.IEEE guide for AC motor protection(S).IEEE Power and Energy Society,2012.

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