基于振動(dòng)頻譜和電流頻譜特征的磨煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條診斷

鄭祥云 魏 林 王 康

（華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊261204）

0 引言

磨煤機(jī)是發(fā)電廠主要的輔助設(shè)備之一。磨煤機(jī)電機(jī)啟動(dòng)較為頻繁，啟動(dòng)時(shí)間長、負(fù)荷大，發(fā)生鼠籠斷條的幾率較高，對發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的影響。近幾年，磨煤機(jī)電機(jī)故障時(shí)有發(fā)生，甚至呈上升趨勢［1］。為了提高磨煤機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，保證發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行，對磨煤機(jī)電機(jī)鼠籠斷條故障進(jìn)行及時(shí)診斷，以便提出相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施，是非常有意義和必要的。

1 磨煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的原因

磨煤機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，鋼球與煤全部囤積在其滾筒下部，整個(gè)啟動(dòng)過程遲緩，大約10～20s才能啟動(dòng)起來，一般啟動(dòng)電流是額定電流的6～7倍，啟動(dòng)時(shí)間長、負(fù)荷大，而籠條間電動(dòng)力正比于電流的平方，約為36～49倍，啟動(dòng)力矩大；同時(shí)在啟動(dòng)電流由0上升到持續(xù)最大值的這段時(shí)間內(nèi)，端環(huán)短路電流迅速達(dá)到最大，并發(fā)熱膨脹，這必然會(huì)產(chǎn)生徑向位移和變形，根據(jù)發(fā)熱公式Q＝kI2Rt及電流的集膚效應(yīng)作用，啟動(dòng)時(shí)間愈長，啟動(dòng)電流愈大，彎曲變形愈厲害，再發(fā)展下去，就會(huì)出現(xiàn)釬焊接頭熔開，籠條與端環(huán)處開焊現(xiàn)象。所以籠條在啟動(dòng)過程中不僅受到電磁徑向力、離心力的作用，還受到難以計(jì)算和預(yù)測的熱應(yīng)力的影響，使籠條受到交變的應(yīng)力，反復(fù)彎曲變形，疲勞損傷達(dá)到一定程度，必然造成端環(huán)開焊、籠條斷裂事故［2］。

2 診斷方法

輕微的鼠籠斷條故障對電機(jī)正常運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生很大影響，僅僅憑觀測也很難發(fā)現(xiàn)故障的存在。但當(dāng)某一根籠條斷裂之后，相鄰籠條的電流要相應(yīng)增大，因此加速了其他籠條特別是相鄰籠條的斷裂，最終會(huì)發(fā)展為多根籠條斷裂，造成電機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。因此，及早發(fā)現(xiàn)斷條故障顯得尤其重要，這就需要有可靠的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法。轉(zhuǎn)子斷條的監(jiān)測方法很多，根據(jù)檢測信號的不同可分為電流分析法、失電殘壓法、瞬時(shí)功率法、脈振磁場分析法、電磁轉(zhuǎn)矩分析法、振動(dòng)噪聲分析法等［3］。我廠依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，采用振動(dòng)頻譜特征和定子電流頻譜特征分析法，取得了良好的效果。

2.1 振動(dòng)頻譜特征分析

分析振動(dòng)特征信號不僅能檢測電機(jī)機(jī)械問題，也能檢測電氣有關(guān)問題?；\型異步電機(jī)因籠條斷裂將產(chǎn)生不平衡電磁力，該不平衡電磁力隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其振動(dòng)頻譜呈現(xiàn)如下特征［4］：（1）在轉(zhuǎn)速頻率1X的兩側(cè)產(chǎn)生很清楚的極通過頻率的邊帶。（2）在轉(zhuǎn)速頻率及諧波頻率的兩側(cè)產(chǎn)生極通過頻率邊帶的情況下，往往發(fā)現(xiàn)1個(gè)以上的轉(zhuǎn)子斷條。

鼠籠異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)的振動(dòng)頻譜圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)的振動(dòng)頻譜圖

2.2 定子電流頻譜特征分析

電機(jī)定子的供電電流在很大程度上受電機(jī)狀態(tài)的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)子正常時(shí)，定子電流的頻率是單一的電源頻率；而當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條故障時(shí)，引起的定子電流故障頻率成分為［5］：

式中，ffault為故障頻率；f1為供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；k為整數(shù)（0，1，2…）。

當(dāng)k＝0時(shí)，ffault為2sf1，稱之為2倍轉(zhuǎn)差頻率。由于它對供電頻率的調(diào)制作用，在供電電流頻率兩側(cè)（1±2s）f1的位置上各出現(xiàn)一個(gè)邊頻帶，隨著斷條數(shù)目的增加，（1±2s）f1處的幅值增加。因此，根據(jù)邊頻帶幅值的大小即可判斷轉(zhuǎn)子斷條故障和故障程度，如果邊頻帶幅值低于供電電流頻率幅值40dB以內(nèi)，說明轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條。

鼠籠異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)的電流對數(shù)頻譜圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)的電流對數(shù)頻譜圖

3 診斷實(shí)例

本廠1D磨煤機(jī)采用6極鼠籠異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為992r／min，電機(jī)轉(zhuǎn)頻約16.53Hz。電機(jī)測點(diǎn)分布如圖3所示。2013年8月13日，對該電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值超標(biāo)，達(dá)到3.57mm／s（通常規(guī)程規(guī)定的監(jiān)測振動(dòng)的速度標(biāo)準(zhǔn)值為2.8mm／s），危及正常生產(chǎn)的原料供應(yīng)。

2013年8月13日，我們重新對電機(jī)的振動(dòng)頻譜進(jìn)行測量，為了確保測試的準(zhǔn)確性，在測試時(shí)設(shè)置了高分辨率的振動(dòng)參數(shù)，180Hz、1600條譜線，同時(shí)電機(jī)要帶70%以上負(fù)荷，實(shí)際測試時(shí)電機(jī)帶了90%負(fù)荷。

在對記錄的頻譜進(jìn)行分析的過程中，首先看到的是在頻域信號中主要以電機(jī)轉(zhuǎn)頻及諧波為主，如圖4所示，而正常的磨煤機(jī)電機(jī)振動(dòng)頻譜如圖5所示。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)

圖41D磨煤機(jī)電機(jī)振動(dòng)頻譜圖

圖5 沒有斷條故障的磨煤機(jī)電機(jī)振動(dòng)頻譜圖

在圖4有斷條故障的電機(jī)振動(dòng)頻譜圖中，存在幅值較高的電機(jī)轉(zhuǎn)頻f0（≈16.53Hz）及2f0、3f0、4f0諧頻成分，且在這些轉(zhuǎn)頻及諧頻的周圍存在邊頻帶。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)這些頻率的間隔均為0.78Hz。在圖5正常電機(jī)振動(dòng)頻譜圖中，電機(jī)轉(zhuǎn)頻f0（≈16.53Hz）及2f0、3f0、4f0諧頻成分幅值較低，并且周圍不存在邊頻帶。

現(xiàn)在來解釋一下0.78Hz頻率的來源。由于該電機(jī)為異步電機(jī)，所以在正常工作時(shí)應(yīng)該存在轉(zhuǎn)差速度，即電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速應(yīng)略低于其同步轉(zhuǎn)速，且電機(jī)負(fù)載越大，其轉(zhuǎn)差速度也越大。我們在現(xiàn)場實(shí)際測試轉(zhuǎn)速約為992.6r／min，與電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速相差在7.4r／min左右，其所差的頻率應(yīng)該在0.123Hz左右，極通過頻率應(yīng)該在0.74Hz左右。圖4中0.78Hz頻率邊帶與計(jì)算得到的0.74Hz極通過頻率邊帶相差不大，我們認(rèn)為是由于分辨率等誤差造成的，這個(gè)0.78Hz頻率邊帶就是極通過頻率邊帶，0.78Hz頻率的極通過頻率邊帶很明顯地出現(xiàn)在1倍、2倍、3倍和4倍轉(zhuǎn)頻周圍，這類頻譜說明該電機(jī)可能已經(jīng)出現(xiàn)了籠條斷裂故障。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們對電機(jī)定子二次電流頻譜進(jìn)行測量分析。在電流頻譜測試時(shí)我們設(shè)置了高分辨率的測試參數(shù)：100Hz、3200條譜線；采用漢寧窗；設(shè)2次平均；電機(jī)實(shí)際帶負(fù)荷90%左右。記錄測量時(shí)的電機(jī)工作電流值，所得的對數(shù)坐標(biāo)下電流頻譜圖如圖6所示。

圖6 對數(shù)坐標(biāo)下電機(jī)定子電流頻譜圖

在電流譜線處作局部放大，工作電流譜線兩邊存在2倍轉(zhuǎn)差頻率（約0.25Hz）的邊頻帶，工作頻率的幅值與2倍轉(zhuǎn)差頻率邊頻帶的幅值差為38dB，小于40dB，表明該電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了斷條故障。

振動(dòng)頻譜特征分析和定子電流頻譜特征分析均說明電機(jī)發(fā)生了斷條事故，2013年10月份利用大修的機(jī)會(huì)對電機(jī)進(jìn)行解體檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)轉(zhuǎn)子共有5根籠條端部斷裂，證明了判斷的正確性。

4 結(jié)語

綜合運(yùn)用振動(dòng)頻譜特征和定子電流頻譜特征分析可以準(zhǔn)確、及時(shí)地診斷磨煤機(jī)電機(jī)鼠籠斷條故障，通過連續(xù)多次監(jiān)測還能對故障進(jìn)行趨勢分析，為制定合理的檢修方案提供理論依據(jù)。

［1］陳江，沙德生.火力發(fā)電廠精密點(diǎn)檢及故障診斷案例分析［M］.北京：電力出版社，2010

［2］吳干東.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障的分析［J］.華北電力技術(shù)，2001（9）

［3］姚建紅，謝婷婷，張鴻偉.三相異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障診斷及處理方法分析［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（6）

［4］鐘秉林，黃仁.機(jī)械故障診斷學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

［5］秦淑香，徐殿國.籠形異步電動(dòng)機(jī)電流法診斷轉(zhuǎn)子故障方法綜述［J］.煤礦機(jī)械，2005（6）