基于MCA理论的电机故障检测方式试验研究

苏高辉,古成中,罗日荣,倪 圆

(91663部队,山东 青岛 266000)

“21世纪新一代水面舰船将采用综合全电力推进系统”已成为各国舰艇装备发展的热门话题。[1]美国及其他国家的海军对综合电力推进非常感兴趣。[2]综合电力系统的推进器由电机直接带动，是动力系统的核心部件，一旦出现故障，将直接导致舰艇失去机动性，丧失战斗力。因此，必须对大型电机的技术状态开展监测工作。另外，在现代舰船上，辅助系统如消防系统的消防泵、舰船运动控制系统的操舵装置、燃油滑油的注入转运系统等也都是靠电机带动，这些电机的正常运转对于保障舰艇的操作性、居住性、生命力，提高舰艇的总体作战能力具有重要作用。对舰船动力系统和辅助系统的电机状态进行监测，掌握其健康程度，分析潜在的故障隐患及发展趋势，进行健康管理，对于保障其可靠运行，提高舰艇战斗力具有十分重要的意义。

ALL-TEST公司生产的ALL-TEST PRO系列电机故障检测仪基于电机电路分析(Motor Circuit Analysis，MCA)方法对电机绕组进行电气性能测试，能够对电机定子绕组匝间短路、相间短路、层间短路等绝缘劣化做出早期预警，还可以检测转子缺陷、气隙不均等电机缺陷，对电机电气故障敏感，体积重量小，携带操作方便，是目前常用的电气监测仪器[3]。但是，电机检测出一般性早期故障隐患，如果不出现大的电压冲击或误操作还能运行相当长一段时间[4]。绕组绝缘劣化类故障即使拆解也不易从外观看出，所以对电机故障检测仪的检出隐患不便于验证。另一方面，电机故障检测仪测试方式不同会得出不同的测试结果，可能导致故障原因的误判。针对此问题，本文在实验室条件下模拟了电机的三类故障模式，采用电机故障检测仪进行了测试验证。研究了不同测试方式对测试结果影响，探讨了使用电机故障检测仪开展电机状态监测及故障诊断的工作流程。

1 电机电路分析(MCA)测试原理

MCA方法将三相感应电机的每一相绕组视为一个包含有电感、电容和电阻的等效电路，如图1所示。左侧部分为定子绕组的等效电路，右侧部分为转子通过变压器原理变换得到的等效静止转子电路[5]。

图1 感应电机单相绕组的等效电路图

MCA为每一相绕组输入一个高频的低压交流信号，根据施加的电压和流过绕组的电流计算出每相绕组的阻抗Z、电感L、直流电阻R、电流滞后电压的相角P和倍频值I/F(改变电压频率前后的电流相对变化情况)。正常电机的三相绕组对称平衡，测得的三组上述参数也相同。当电机出现电气异常时，会导致某相(或多相)绕组参数变化，测得的参数也不再平衡，MCA技术根据上述参数的不平衡程度和类型判断电机的健康程度和故障类型[6]。

2 电机故障检测仪测试方法

三相感应电机通常有两种接线方式，星形和三角形。图2是电机端子接线解开时的示意图，图3是电机绕组星形接线时的接线示意图，图4是电机绕三角形接线时的接线示意图。各图中图(a)是接线盒端子接线示意图，图(b)是电机内部绕组接线示意图。根据电机接线方式及等效电路测试原理，可以推知有四种测试接线方式，如表1所示，对比每种测试方式测得三组数据可判断电机绕组健康状态。

(a)接线盒端子 (b)电机内部绕组接线示意图图2 电机绕组端子解开示意图

(a)接线盒连接方式 (b)电机内部绕组接线示意图图3 电机绕组星形接线示意图

(a)接线盒连接方式 (b)电机内部绕组接线示意图图4 电机绕三角形接线示意图

测试方式电机接线方式第一次测试连线第二次测试连线第三次测试连线Ⅰ断开绕组U1-U2V1-V2W1-W2Ⅱ星型U1-V1U1-W1W1-V1Ⅲ星型U1-中性点V1-中性点W1-中性点Ⅳ三角形U1-U2V1-V2W1-W2

Ⅰ型测试方式将三相绕组相间接线以及电源连线全部断开，需要在电机接线盒处测试，测试结果是每一相绕组的电气参数。Ⅱ型测试方式为电机星形接法时在控制箱处常用测试方式。Ⅲ型测试方式为电机星形接法时的一种测试方式，需要在电机接线盒处测试。Ⅳ测试方式为电机三角形接法时在控制箱处常用的测试方式。

3 实验测试分析

为了分析电机故障检测仪的实际应用效果和不同测试方式的影响，实验测试了两台三相鼠笼式异步感应电机。一台型号为Y100L2-4，人工制造了线圈间短路和相间短路两种故障模式，同时还测试了该电机健康状态下的绕组参数。另一台电机型号为Y90S-2，人工制造了匝间短路故障模式。为了便于分析测试结果，两台电机均抽出转子，只测试定子绕组，排除了转子影响。

3.1 健康状态

采用4种方式测试了Y100L2-4电机不存在故障时的定子绕组，测试数据见表2。由数据可以看出，对于健康电机，不同测试方式的三相参数均是平衡的。三相倍频值均为-49%，接近纯感性电路的-50%，说明电路不存在短路劣化。

表2 健康状态电机定子绕组测试数据

测试方式Ⅱ的电阻值是测试方式Ⅰ电阻值的2倍，测试方式Ⅱ的阻抗是测试方式Ⅰ阻抗的2倍多。这是因为测试方式Ⅱ的测试电路为两单相绕组的串联电路。如图3(b)，当两个测试端子分别连接U1和V1，实际测试的是U绕组和V绕组的串联电路。

测试方式Ⅲ和测试方式Ⅰ测试结果相同，说明不存在相间短路。

测试方式Ⅳ的测试电阻值和阻抗值都比测试方式Ⅰ的测试电阻值和阻抗值的小。这是因为测试方式Ⅳ的测试电路为两相绕组串联后再和另一相绕组并联的电路。如图4(b)，当两个测试端子分别连接U1和U2时，实际上测试的是V绕组和W绕组串联后再和U绕组并联的电路。

3.2 匝间短路

实验设置Y90S-2电机U绕组线圈内发生了10匝导线匝间短路的故障模式，见图5。采用4种方式测试了此时定子绕组的电气参数，测试数据见表3。

由测试方式Ⅰ的数据可以看出，三相绕组直流电阻不平衡度为0.91%，U相电阻偏离平均值仅为0.03 Ω，这说明采用测直流电阻法来判断绕组匝间短路故障是比较困难的。另外可以看出，三相阻抗不平衡度为11.69%，U相阻抗偏离平均值为9.67 Ω；三相电感不平衡度为12.50%，U相电感偏离平均值为2 mH；U相角偏离平衡值为6.33°；U相倍频偏离平衡值为4。V和W两相测试数据平衡，U相数据偏离，通过对比三相绕组数据可以快速定位故障在U相。U相相角和倍频值都下降超标，可以据此判定U相出现了绝缘劣化，这与实际故障吻合，说明了电机故障检测仪检测结果的可靠性。

测试方式Ⅱ的阻抗、相角、电感和倍频值的测试结果也都呈现出了不平衡特性，三次测试阻抗不平衡度为7.65%，电感不平衡度为6.03%，相角最大偏离值为3°，倍频偏离平衡值为2。可见，这些参数的不平衡度都要远小于测试方式Ⅰ的不平衡度。相对于测试方式Ⅰ，测试方式Ⅱ对故障的敏感度第低。另外，每次测试实际测试的为两相绕组，并不便于定位故障发生的绕组。

测试方式Ⅲ的结果与测试方式Ⅰ的结果相同，这是因为故障仅发生在U相绕组内部，并未发生相间短路。

测试方式Ⅳ的阻抗、相角、电感和倍频值的测试结果也都呈现出了不平衡特性，三次测试阻抗不平衡度为6.15%，电感不平衡度为5.26%，相角最大偏离值为4°，倍频偏离平衡值为2.33。这些参数的不平衡度同样都要小于测试方式Ⅰ的不平衡度。

表3 匝间短路故障电机定子绕组测试数据

图5 电机定子绕组匝间短路

3.3 线圈间短路

实验设置Y100L2-4电机U相绕组的两个线圈之间发了1匝导线短路故障，见图6。采用4种测试方式测试了此时定子绕组的电气参数，测试数据见表4。由测试方式Ⅰ的数据可知，U相阻抗、相角、电感参数下降明显，可揭示出U相绕组发生了绝缘劣化，与实际故障相符。该测试表明，即使只有1匝导线发生了短路，阻抗和相角的变化就很明显，说明MCA技术检测定子绕组线圈短路故障的灵敏度很高。

图6 Y100L2-4电机定子绕组线圈间短路

测试方式电阻/Ω阻抗/Ω相角/°电感/(mH)倍频/%R1R2R3Z1Z2Z3P1P2P3L1L2L3I/F1I/F2I/F3Ⅰ1.591.761.773650497781817109-48-49-49Ⅱ3.343.343.5110097119838385201923-49-49-49Ⅲ1.581.761.773650497882817109-48-49-49Ⅳ1.111.151.16313937778080677-49-49-49

3.4 相间短路

实验设置Y100L2-4电机U相和V相之间发了1匝导线短路的相间故障，见图7。采用4种方式测试了此时定子绕组的电气参数，具体数据见表5。由测试数据可知，测试方式Ⅰ的三相数据是平衡的，表现不出故障。这是因为在三相绕组端子之间断开连接时，即使两相之间出现了短路，对一相绕组的测试也不会受其短路相的影响。而测试方式Ⅱ、测试方式Ⅲ和测试方式Ⅳ均出现了不同程度的不平衡。特别是测试方式Ⅲ的结果不再与测试方式Ⅰ的结果一致。这是因为当U-V发生相间短路时，测试U1-中性点之间的等效电路，其测试对象不仅包含U相绕组还要包含部分V相绕组。因此，当在控制箱测试结果不平衡，而在接线盒处采用测试方式Ⅰ测试结果平衡时，可以怀疑存在电机相间短路。

表5 相间短路故障电机定子绕组测试数据

图7 Y100L2-4电机定子绕组相间短路

4 结束语

本文通过实验研究了电机故障检测仪的测试效果和测量方式对测试结果的影响，得到以下结论。

基于MCA技术的电机故障检测仪可以有效地检测出电机定子绕组的绝缘劣化故障，对绕组早期故障敏感，检测结果可靠。对于非相间短路故障，常用的控制箱处测试方式对绕组故障的敏感程度和故障定位准确性要低于电机接线盒处的测试方式。

但是，前者操作方便，后者操作相对繁琐。在开展舰船电机监测工作时，要在短时间内测试数十台电机，若都采用接线盒处测量，难度较大。因此，建议首先采用控制箱处测量方式进行大量电机普测，发现某台电机较大参数不平衡时，再用接线盒处测量方式进行故障绕组定位及故障原因分析。