循环水泵电机转子鼠笼断条故障分析

王善平 李玲

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.009

摘  要：采用准实证研究与定量分析相结合的方法。利用CX10测试仪对高压电动机定子电流检测，再利用EA软件对其电流频谱进行分析，首先确定该电动机电流线频率峰值（FL），再通过相关计算确定该电动机的极通过频率（FP），计算FL与FP的差值（dB down），根据之前总结的经验值dB down值判断该电动机转子是否存在断条，再评估转子的状态，即严重程度。

关键词：电机;振动;电流谱;电机诊断

中图分类号：TM343.3      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0030-05

Fault Analysis of Broken Rotor Squirrel Cage Bar of Circulating Water Pump Motor

WANG Shanping1，LI Ling2

（1.Shandong Huayu University of Technology，Dezhou  253034，China;

2.Dezhou Zhilin Electrical Equipment Co.，Ltd.，Dezhou  253000，China）

Abstract：The method of combining quasi empirical research and quantitative analysis is adopted. The CX10 tester is used to detect the stator current of the high-tension motor，and then the EA software is used to analyze its current spectrum. First，determine the current line frequency peak（FL）of the motor，and then determine the pole pass frequency（FP）of the motor through related calculations. Calculate the difference between FL and FP（dB down）. According to the previously summarized empirical value and the dB down value，determine whether the motor rotor has broken bars，and then evaluate the state of the rotor，i.e. severity.

Keywords：motor;vibration;current spectrum;motor diagnosis

0  引  言

近年來随着信号处理技术及人工智能技术在各领域的迅猛发展，涌现出了大量有关于定子电流信号的转子断条故障诊断与研究的新方法，并且在不同程度上取得了较好的效果。如：断电后测定子感应电压检测法^[1]、转子断条示波检测法、工频消去法、小波和小波包变法^[2，3]以及人工智能法^[4]等多种方法但是，目前关于基于电压和电流分析的方法的研究仍存在着不足，如在故障特征的提取方面以及故障的严重程度评估方面仍然需要做进一步的研究，特别是，当复合故障出现时，各故障之间是否会相互影响，影响程度有多大。本案例提出的研究方法可以有效地避开各种故障之间的影响，弥补了目前电流频谱分析法的缺陷，为运行中的高压电动机转子故障诊断提供了一种全新的方法。

1  主要研究内容

1.1  研究目标

利用CX10测试仪采集电动机定子电流，分析该定子电流的频谱特性，达到诊断高压电动机转子的断条故障的目的。

1.2  研究方法

采用准实证研究与定量分析相结合的方法。

用创优CX10测试仪采集高压电动机的电流，即对高压电动机定子进行电流检测，再利用EA软件对所测得的电流频谱进行分析，首先先确定该电动机电流线频率峰值（FL），再通过相关计算确定该电动机的极通过频率（FP），计算FL与FP的差值（dB down），计算所得的数值与转子笼条状态表进行对比以此来判断转子断条情况，最后在评估转子的状态。根据评估结果来进行针对想方案设计，最后选取制定电机维修方案。

1.3  技术指标

电动机电流线频率峰值与极通过频率峰值差值（dB down）判断其转子笼条状态参考依据，如表1所示。

1.4  技术路线与实验方案图

本研究方法的技术路线与具体实验流程为：

（1）针对收集到的高压电动机资料，确认具备建模条件后对电动机进行建模。

（2）测试仪器建好模型后，积极准备确定现场的最佳测量位置，进行电流测试。

（3）现场测试，检验频谱是否符合要求。

（4）分析电流频谱的特性，确定所测电动机的重要频率的峰值。

（5）根据电流频谱的特性，诊断验证所测电动机的转子断条故障，评估转子状况。

具体流程如图1所示。

1.5  研究内容

在电动机不停电的情况下，利用创优CX10测试仪采集高压电动机的电流，并对采集的电流进行频谱分析，诊断该高压电动机转子是否存在断条故障，并评估该电动机的转子状况。

首先我们要分析出感应电动机定子电流的频谱特性;也就是我们日常认知中所谓的电源频率。从理论层面上可知理想的感应电动机定子电流的频谱是单一的，但是有一种情况是例外的“当转子回路出现故障时”，定子电流频谱图上就会在与电源频率相差2倍转差频率（2sf）的位置^[5]出现一个边带，这一现象已经被英国Hargis等学者的理论证实，且特征频率（1～2s）f和电源频率f两者相差0.5到5 Hz。

当定子电流出现周期性变化的时候电动机的转矩将会随之出现脉动，最终异步电动机的转子转速也将会按照两倍的转差率进行波动。转速波动的出现将会使异步电动机的电流在以电源频率为中心，在+2sf～-2sf之间^[6]发生变化，由于电动机定子中三次谐波磁通的调制作用，这种转速和电流的波动将愈加明显。由此我们可以分析出边頻带电流和基波电流的比值，与感应电动机转子断条损坏程度有着直接的关系。电动机转子断条数目可由式（1）估计^[7]。

N₁≈2R₁/（I₁/I₂+2P）                       （1）

式中I₁和I₂分别为特征频率和电源频率的频谱幅值;R₁为转子铁心槽数;P为电机极对数;N₁为转子断条数目^[1]。

1.6  诊断方法

转子断条故障诊断运用振动分析技术和电机诊断技术相结合的方法进行。其主要方法是通过对电动机电流线频率峰值与极通过频率峰值差值（dB down）判断其转子笼条状态，然后参考“转子笼条状态参考依据表”根据dB down值来判断转子断条情况，分析转子的运行状况。下文以某公司四号循环水泵为案例进行诊断分析。

2  案例分析

2.1  设备概况

某发电公司I期4台同型号、同容量循环水泵电机安装于江边泵房，电机立式安装。1、2号循环水泵电机2007年2月投运，3、4号循环水泵电机2007年6月投运。4台循环水泵电机根据2台机组负荷变化情况决定运行方式，运行1～4台不等。机组负荷的变化决定了电机需要频繁启停，同时也就埋下了电机转子鼠笼断条或裂纹的隐患。4号循环水泵电机在2020年10月首次检测出了转子鼠笼断条故障信息。

2.2  故障诊断

转子断条故障诊断运用振动分析技术和电机诊断技术相结合的方法进行。2020年10月21日振动检测频谱中在1X、2X转频出现了0.583 Hz（经计算为极通过频率）边带，如图2所示，因此分析判断电机转子鼠笼出现少量断条或裂纹;同日检测电机电流谱，其基频与边频幅值差为45.99 dB，如图4所示，从该数据看转子可能有断条情况。跟踪监测直到2021年五月初，振动频谱中的极通过频率边带已经出现在2X～6X转频，如图3所示，而电流谱检测的基频与边频幅值差也逐渐减小到35.48 dB，如图5所示。由此判断电机转子鼠笼已经有多根笼条断裂脱焊或裂纹，分析精密点检数据信息及电机启动电流幅值变化情况确认故障呈慢速发展趋势，电机可以继续运行，精密点检需继续跟踪监测，关注劣化趋势;故障必须在2021年2号机组小修时检修处理。

2.3  故障确认与检修处理

2021年7月电机解体检修。电机解体抽出转子检查发现5根笼条端环焊接部位脱焊断裂、10根笼条在端环焊接部位不同程度裂纹，如图6所示。

电机转子委托专业电机检修厂家检修处理。转子所有笼条全部满焊一遍，经过金属探伤检查确认焊接良好，转子做动平衡试验确定转子平衡。

2.4  修后状态

检修后电机振动频谱中转频两侧的极通过频率边带完全消失，如图7所示，电流谱如图8所示，检测电流基频与边频幅值差也有所增大（基边频幅值差60.06 dB、偏小），电机运行状态明显改善。

2.5  故障原因及设备改善

由于机组负荷较大幅度的变化，循环水泵运行方式随之改变，循环水泵电机频繁启停。尤其在电机启动过程中，启动电流大、启动转矩大，电机转子鼠笼将承受较大的电磁力及机械力的强力冲击，长此以往材料强度薄弱的地方就可能发生断裂，而转子鼠笼笼条与端环焊接部位首当其冲，因此最可能发生故障的就是该部位裂纹或脱焊断裂。

造成转子鼠笼断条或裂纹故障的主要原因就是电机启停频繁。要使电机运行状态得到改善，在保证电机制造质量和检修质量的前提下，需要优化循环水泵运行方式，既要注重电机节能又要注重电机安全运行和使用寿命。

3  研究意义

目前，高压感应电动机在工控行业应用特别广泛，尤其是在电力、冶金、石油化工和建材等连续作业工艺流程部门占据着非常重要的角色，比如汽机区域的前置泵、真空泵、循环水泵等，锅炉区域的引风机、送风机、磨煤机等，脱硫区域的浆液循环等，在一定的时间和范围内，驱动电机的突发故障势必造成整个流水生产线的瘫痪，甚至严重时导致电厂非停事故。这种连续性工艺流程造成的经济损失和影响往往会超出驱动电机正常工作以及选购电机本身的价值。因此，对于如何确保高压感应电动机的安全生产、可靠运行、实时故障分析诊断监测、检测就显得越来越重要了。

伴随着工控领域的高速发展，工业自动化水平的飞速提高，工业自动化系统的规模也日益巨大化，在生产作业系统中电机的使用频率以及数量也随之不断地增长，单机小容量已不能满足当下需求，单机容量的不断提高是当下的必然趋势，那么随之而来的还有故障率和隐患。当电机发生故障或突然不能正常运行甚至是停止运行，这种情况的发生不仅会有损电机自身寿命，还会影响整个自动化系统的正常运行，严重者甚至会危及生产人员的人身安全，给国家或企业造成巨大经济损失和恶劣影响，比如：一台40万千瓦的工作机组，如果因循环水泵出现故障不能正常工作甚至是停止运行，按每度电0.3元的电价计算，仅发电厂每一个小时的误工时间所造成的直接经济损失就高达人民币12万元整。现在大部分电厂都是60万千瓦及以上的机组，每小时的直接损失高达20万元以上。如果引风机或泵类设备故障导致机组非停事故，每小时的直接经济损失至少100万元以上。因此，如果能尽早地发现高压电动机故障，早排除、早处理，避免非停事故，至少可以挽回10万元（每小时）的经济损失。因此，应积极采取各种先进的技术手段来监测、检查，以减少或消除故障隐患的发生。

4  结  论

当前国内外的很多学者对感应电动机转子断条故障的检测和诊断进行了深入的探索和研究，但方法都存在不足：

（1）断电后测定子感应电压检测法存在一个最大的弊端，即必须在断电的情况下方可进行检测，同时这种检测方法还无法实现早期诊断和在线诊断，基于这两种原因让本检测方法的应用存在了制约性。

（2）转子断条示波检测方法不能在故障早期及时的发现断条现象的产生。

（3）工频消去法的适用范围受限制，此方法大多适合运用在电动机运行负荷变化较大的情况，而在小负荷和负荷变化幅度较小的情况下诊断效果并不是很明显。

（4）小波和小波包变法自适应性不强或者可以说不具备自适应性，此外小波基的有限长也还会造成信号能量不同程度的泄露，这样将会导致信号的能量一—频率—时间分布很难定量给出。

（5）人工智能法最大的缺点是缺乏实时性，针对大型机组的长期运行状态的监测，人们尝试用数据挖掘的方法获取其故障特征，以方便人们能应用于故障诊断。可目前关于数据融合等算法等技术还不是很成熟，其在工程中的应用目前仍然处于探索阶段，还需要大量的数据分析和研究。

本研究方法不存在上述弊端，并且本方法解决的关键问题是可以在电动机不停电的情况下，诊断该电动机转子是否存在断条故障，并评估该电动机转子的状况。开创了一种诊断电动机转子故障、评估电动机转子状况的新方法。

参考文献：

[1] 黄进，牛发亮，杨家强.基于双PQ变换的感应电机转子故障诊断 [J].中国电机工程学报，2006，26（13）：135-140.

[2] 梁霖，徐光华，刘弹，等.小波-奇异值分解在异步电机转子故障特征提取中的应用 [J].中国电机工程学报，2005，25（19）：111-115.

[3] 张征平.异步电动机早期故障检测的小波分析方法研究 [D].广州：华南理工大学，2002.

[4] 方芳.感应电机转子断条故障诊断方法研究进展 [J].中国舰船研究，2010，5（5）：77-81.

[5] 张春喜，刘海丽，吕志香，等.感应电动机转子断条故障诊断系统的研究 [J].黑龙江水专学报，2005（4）：23-25.

[6] 谢颖，李伟力，李守法.异步电动机转子断条故障演化及相关因素分析 [J].电工技术学报，2007，22（3）：41-48.

[7] 赵林桂，詹渝明，陈明涛.基于傅里叶变换的异步电机转子故障检测 [J].东北电力技术，2004（7）：9-11.

作者简介：王善平（1985.05—），男，汉族，黑龙江鸡西人，工程师，本科，研究方向：电氣工程及其自动化。

收稿日期：2021-04-01

基金项目：山东华宇工学院2019年度校级科技计划项目（2019KJ02）