基于MCA技术的港机设备状态监测与故障诊断

汪 涛 倪 圆 杨双华 于婷婷

1 青岛海西重机有限责任公司 2 中国人民解放军91663部队

1 引言

随着全球海运贸易的增长，港口作业日益繁忙。港口机械是港口作业的关键设备，其状态好坏直接影响港口作业效率与安全。因此，开展状态监测与故障诊断，有效预防故障发生与扩大具有十分重要的现实意义。目前针对港口机械常用的状态监测方法有振动噪声监测、油液监测、红外温度监测以及在线监测等，但港机设备大多由电机驱动，且港机大多处于码头等高盐、高湿环境，电气性能容易发生劣化，目前鲜有从电机电气性能角度开展港机状态监测与故障诊断的案例[1-3]。许多港机电气设备的潜伏性故障，如定子匝间短路、相间短路、层间短路等绝缘劣化，以及转子断条、气隙不均等转子缺陷[4]，难以通过振动等常规技术手段检测发现。电机电气性能监测，可以在不拆卸设备或不影响系统正常运行的情况下进行实时监测，掌握电气设备的运行状态、潜伏性故障及其发展趋势，为电气设备的及时维修提供科学依据，有效避免设备故障的扩大和事故的发生，提高港机设备的可靠性和经济性。本文提出了一种基于MCA技术(Motor Circuit Analysis，电机电路分析)的港口机械电气性能监测与诊断方法，通过对电机三相阻抗、电感、倍频和相位角等参数进行监测，评估电机质量状态并进行故障诊断。

2 电机常见故障原因

电机常见的故障主要分为机械故障、电气故障等类型。其中机械故障主要包括轴承故障、转子及附件不平衡、联轴器不对中、机座松动、机壳共振等；电气故障主要包括匝间短路、层间短路、相间短路、气隙不均、转子断条、转子铸造缺陷、绕组对地绝缘不良、缺相运行、电源电压过高或过低等。另外，电机还有其他类型故障，如过载、散热不良等。针对不同类型故障，可采取不同的监测手段，如振动、红外、电气性能监测等，表1为各种监测手段的监测效果。

表1 不同监测手段监测效果

由表1可以看出，振动噪声监测对于机械故障最为敏感，红外监测对于接头连接松动最为敏感，而电机电气性能监测对于电机电气故障效果最好。

3 MCA技术原理

正常的三相电机，其三相绕组的电参数是对称的，三相电特性是平衡的。这种平衡既包括被动型电参数如直流电阻值的对称，也包括主动性电参数，如电感L、相角Fi、阻抗Z和倍频I/F等的对称。如果电机出现故障，随故障类型和故障程度的不同，这些电特性中的1个或多个参数将发生相应的变化。电机电路分析是一种静态分析方法，即将电机看成是一个包含电阻、电感、电容的复杂电路，对电机在未通电状态下进行一系列的低压测试，通过测试比较各相绕组电气性能参数间的差异，并分析参数一段时间内的变化趋势等，从而对电机电气性能状态进行监测。基于这一原理的测量与分析方法能迅速地诊断出电机故障，包括早期潜伏性故障。

3.1 倍频(I/F)测试

对于电机绕组，检测仪发出电压为U、频率为ω的高频正弦波信号，则反馈回来的电流的幅值为I1；然后检测仪又发出电压为U、频率为2ω(倍频)的高频正弦波信号，则反馈回来的电流的幅值为I2，倍频值的计算式为：

(1)

式中，Z1、Z2分别为对应电压下的阻抗。

(2)

(3)

在高频信号输入下，电感形成的阻抗可以忽略不计。最初，无匝间短路发生的绕组，在仪器发出的高频电流下，类似于“纯电感电路”，对应的R=0，I/F=-50%。当匝间短路发展到最后，L几乎完全失效，绕组类似于“纯电阻电路”，对应的L=0，I/F=0。匝间短路的发展趋势是使绕组从“纯电感电路”向“纯电阻电路”的迈进，即I/F从-50%向0%发展[5]。I/F值直接说明了电感的失效程度，它能够作为匝间短路的判定依据。由于电阻的存在，绕组在最初只是接近于“纯电感电路”，I/F只是接近于-50%，一般在-35%～-50%之间。

3.2 阻抗、电感、相角测试

在测量阻抗、电感和相角等参数时，检测仪产生一个频率100～800 Hz的低压正弦波信号，测量电阻时产生一个低压直流电压信号，测量绝缘阻抗时，产生一个500 V或1 000 V的直流电压信号，其参数测量电路类型于惠斯顿电桥。由于测试时施加的电压或者电流很小，因而不会损坏电机绕组，而且这种测试属于静态测试，不需启动电机。

其中，相角表示电路中交流电流与施加电压之间的波形的先后关系，用角度表示(0～90°)，该参数对绕组短路很敏感。对于纯电阻电路，电压与电流同相，相角为0°；对于纯电感电路，电压领先电流90°，相角为90°；对于纯电容电路，电压落后电流90°，相角为-90°。对于一般电机，相角测试值在50°～80°范围内，当发生匝间短路时，相角减小。

3.3 参数不平衡度

测量参数中，阻值R、阻抗Z、电感L的不平衡度计算为：

(4)

式中，δX为阻值R、阻抗Z、电感L的不平衡度；Xmax为三相绕组中阻值R、阻抗Z、电感L的最大值；Xmin为三相绕组中阻值R、阻抗Z、电感L的最小值。

倍频值I/F、相角Fi的不平衡度为三相绕组中最大值减最小值，即：

δI/F=I/Fmax-I/Fmin

(5)

δFi=Fimax-Fimin

(6)

4 基于MAC技术的电机电气性能监测

4.1 电机绕组监测方法

对于港口机械，常用的三相异步电机有2种接线方式：星型接法和三角形接法，见图1、图2。

图1 电机星型接法

图2 电机三角型接法

对于2种接线方式，采用表2中的测量顺序，逐步对三相绕组进行测试，并记录相应的测试结果。

表2 绕组测量顺序

4.2 电机质量状态评价

根据测试结果，计算不同测量参数的不平衡度，依据电机质量评判依据评价电机质量状态。电机质量评判依据见表3[5]。

表3 电机质量评判依据

该评判依据将电机质量分为良好、缺陷、故障3个状态等级，结合相应的监测参数可判断电机的状态。

4.3 电机绕组故障诊断

对于监测发现处于缺陷或故障状态的电机，需进一步开展故障诊断，找出故障发生的原因并定位故障部位，方便开展检修。基于MAC技术判别电机故障类型的步骤和方法见图3。

图3 电机故障类型判别步骤

5 故障案例分析

某岸桥起升机构2#电机在使用过程中，发现工作电流存在明显波动，并且电机抖动异常，而1#电机工作正常。针对这一情况，在日常维护期间，采用某型电机故障检测仪对2台电机开展电气性能监测，监测结果见表4。

表4 电机电气性能参数监测结果

根据参数不平衡度计算公式，2台电机电气参数不平衡度见表5。由表5可知，1#电机各项电气参数基本平衡，而2#电机阻抗、相位、电感、倍频不平衡度分别为29.23%、8°、25%和5%。

表5 2#电机绕组参数不平衡度

参照表3，2#电机电气性能参数不平衡度已严重超出电机质量评判依据中规定的故障上限，电机处于故障状态。按照图3中电机故障类型判别步骤，可分析该电机故障原因为绕组短路。经拆检发现，2#电机绕组存在早期匝间短路痕迹，匝间短路造成相位角减小，倍频向0%发展，同时匝间短路还造成线圈电流不稳定波动。更换电机绕组后，电机工作电流及电气性能参数均恢复正常。

6 结语

基于MAC技术的电机电气性能监测能有效发现港口机械设备的电气故障，特别是绕组匝间短路等绝缘劣化的趋势性故障。该监测方法不用拆卸设备，可结合设备日常维护保养进行，能有效监测设备状态变化趋势，在故障发生早期及时处理，有效避免故障的扩大和事故的发生，提高设备的可靠性和经济性。