电机静态测试诊断技术在海洋石油平台的应用

张宝华，张占军，黄科驰

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

1 传统电机诊断方法存在的问题

目前，海洋石油平台广泛使用异步鼠笼式电机作为动力装置，海洋石油行业研究表明，电机故障53%是轴承故障、不平衡和松动等机械原因；其余47%是电气原因，其中10%源于转子，如铸件缺陷导致的不平衡气隙、断条等，37%源于定子绕组。电机机械故障一直采用传统的振动分析法和红外检测法，电气故障的诊断则使用绝缘测试、直流高压测试、高压冲击测试和局部放电测试等方法。传统测试手段对电机故障的判断存在一些问题，大多需要解体测试才能准确判定故障点。

2003年以来，海洋石油平台陆续应用设备状态监测技术，一直采集和分析振动信号作为设备故障诊断的主要方法，主要诊断轴承故障、不平衡、不对中和松动（零部件配合间隙超差）等故障类型。这种诊断方法主要通过振动传感器采集电机振动信号，将电信号转变为模拟信号，经处理后形成时域波形，利用FFT转换，形成振动频谱，诊断人员通过时域和频域分析，找到振动主导频率。根据确定具有相应振动频率的故障部件，进一步确定故障根源，将振动幅值与相应振动标准进行对比，确定故障烈度。实践证明振动诊断技术对于轴承故障、不平衡、不对中、松动、轴弯曲等诊断极为有效，但是对于电机转子断条以及转子和定子偏心等电气故障的诊断明显不足，必须借助其他手段才能准确定位。目前可以利用电机静态测试诊断（MCA，Motor circuit static analysis）技术进行电机非解体故障诊断，准确定位电机故障性质，做出正确维修决策，实现可靠性维修。

2 MCA技术测试及诊断原理

电阻测试及绝缘测试系统进行电机线路故障检测带来的问题是，某些大电机绕组阻值非常低，导致欧姆表无法足够精确地检测故障，而且若存在高阻故障（高于简单绕组电路）还会漏检；许多电机虽然出现故障，但电阻仍然保持平衡。目前发现利用停电状态下电机的电磁特性和高频电流进行相位测试，从而发现电机电路中存在的缺陷已成为可能。MCA技术的基本原理是将电机看成1个包含电阻、电感和电容的复杂电路进行分析。

2.1 阻抗测试。电机电路的阻抗和电感直接受转子绕组位置、质量以及定子绕组类型，匝间互感和自感的影响，通过阻抗测试可反映电机运行状态。交流电机三相平衡是三相阻抗（不是直流电阻）的平衡，阻抗测试结果反映转子故障。

2.2 倍频测试。阻抗根据转子位置或故障产生变化，因此必须采用专门方法确定定子本身缺陷，从而区分出转子故障。可以通过施加1个应用频率，设置电流基准值完成。将频率加倍（倍频测试）并观察每相的电流变化比值，这一结果是对匝间状态的准确考察。因为绕组阻抗的主要成分是电感，倍频电流变化通常是15%～20%。定义这一变化量为I/F，即匝间短路评判值。匝间短路发展过程就是绕组由接近纯电感电路，向纯电阻电路发展的过程，即I/F值由-50%向0%发展的过程（负号代表减少）。对交流电机三相I/F值的比较，很容易发现早期微小的匝间短路。如三相测试结果分别为-48%、-48%和-47%，表明最后一相有较轻微的匝间短路；-48%、-47%和-43%则表明相间可能发生严重短路。

3 应用实例

MCA技术首先在美国通过了能源部考核，并得到认可，此后在我国能源、钢铁等行业逐步推广应用。2009年，中国海洋石油中国有限公司引进了MCA技术。

2013年5月25日，某采油平台900 kW注水泵电机轴承高温，通过振动数据采集和振动频谱分析，电机驱动端轴承（已做过维修）诊断为电机转子条断裂，导致电机效率低，电能转化为热能，造成轴承高温。建议平台对该电机进行大修，修复转子条。

由于修复电机转子条必须要将电机返回陆地解体，然后融掉所有转子条和短路环，处理铁芯，再重新浇注转子条和短路环，进行各种相关测试后，整个维修周期至少需要2个月。作业公司和平台经过慎重考虑，决定采用MCA技术对电机进行故障诊断，同时处理电机轴承高温故障。此次采用北京西马力检测仪器有限公司ALL-TESTⅣ电机静态检测仪，测试相关数据后进行转子细化分析。

3.1 现场对电机进行盘车测试，第一次按24等份盘车，即每盘15°度测试1次电机的电感和阻抗（表1）。根据测试数据进行转子细化曲线（图1），观察曲线未出现波形畸变，判断转子条没有发生断裂。

3.2 为再次确认，第二次按48等份盘车，测量数值略。根据测试数据进行转子细化曲线（图2），观察曲线均较正常，表明转子条并未发生断裂。

表1 24次盘车测试数据

目前该电机三相阻抗和电感存在偏差，但电机转子条并未发生断裂。考虑到以前存在轴承高温问题，建议对轴承装配进行检查，尤其是驱动端，如果装配方面存在缺陷，也会在振动频谱中出现电机转子条通过频率，使故障诊断人员误判是转子条故障。

随后，在平台拆检该电机轴承箱，发现驱动端轴承室内1个O型胶圈损坏，造成6222深沟球轴承的定位不准（该轴承承受转子轴向力），不仅造成轴承高温，也使转子在磁场中的存在定位偏差，造成转子条通过频率。完善轴承室的装配后，电机经过空运转和负荷运转试验，均未发生轴承高温故障。

此次应用MCA技术，成功避免了一次大型注水电机因误诊断而大修，节省维修费用近20万元。

4 结束语

电机故障集电气与机械于一体，征兆表现呈多样性，既有机械故障的一般特性，也有电气、磁场等故障特性，因此必须打破传统诊断观念，采取多种技术，发挥各自优势，综合分析故障原因和性质。故障诊断正确可避免盲目大修，可为海洋石油平台设备维护节约大量人力物力，是企业实现“低碳”维修的途径之一。

图1 24等份盘车测试曲线

图2 48等份盘车测试曲线

［1］ 孔亚林.基于振动信号的滚动轴承故障诊断方法研究［D］.大连:大连理工大学，2005.

［2］ 丰田利夫.现场设备诊断的开展方法.1版.机械工业出版社，1985.

［3］ 沈标正.电机故障诊断技术［M］.机械工业出版社，1996.