三相異步電機(jī)定子引線故障新型檢測(cè)技術(shù)研究

蘭 濤

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

三相異步電機(jī)在運(yùn)行一定時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)包括絕緣老化和三相電阻不平衡等問題。從返修電機(jī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，三相電阻不平衡故障主要是由于定子引線裂紋或斷裂甚至燒損造成的。此故障一旦產(chǎn)生，會(huì)造成繞組各相電流產(chǎn)生偏差，使故障處的引線溫度更高，在產(chǎn)生微小裂紋后會(huì)伴有放電，加上電機(jī)運(yùn)行過程中的頻繁振動(dòng)的應(yīng)力累加，最終，故障引線會(huì)徹底燒斷。若不及時(shí)檢修，故障引線處在電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量并燒熔附件其他線圈，造成整臺(tái)定子繞組的報(bào)廢。在三相電阻不平衡故障發(fā)展到一定階段，電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)收到例如逆變過流的報(bào)警提示。在故障初期，由于定子引線有絕緣包裹，傳統(tǒng)的三相直流電阻測(cè)量法無(wú)法準(zhǔn)確地獲知各引線的健康狀況。

1 現(xiàn)狀描述

定子繞組故障主要有引線故障（表現(xiàn)為三相直流電阻不平衡）和絕緣故障（包括耐壓擊穿和異物掃膛等）。其中，三相直流電阻不平衡，簡(jiǎn)稱三相不平衡，是引線故障的表現(xiàn)形式，也是定子繞組故障中最主要的故障形式，本文研究方向主要是針對(duì)電機(jī)定子引線故障的檢測(cè)。

電機(jī)出現(xiàn)三相直流電阻不平衡時(shí)需定位故障引線，以便盡快進(jìn)行引線修復(fù)。某型電機(jī)的引線分為12組（每組又分上下2處引線），大致對(duì)應(yīng)時(shí)鐘表的12個(gè)方向，見圖1。

圖1 某型電機(jī)引線分布圖

引線故障在三相不平衡度超過15%以上時(shí)（合格標(biāo)準(zhǔn)為2%以內(nèi)），屬于嚴(yán)重的引線故障，這類故障通過肉眼即可看出故障位置。除此之外，剩余的絕大部分引線故障是肉眼無(wú)法從外觀識(shí)別的，需要借助一定的檢測(cè)手段。

在電機(jī)檢修過程中，傳統(tǒng)的定子引線故障檢測(cè)方法通常分為以下幾個(gè)步驟：

（1）入廠三相直流電阻測(cè)量。對(duì)于三相不平衡度超過2%的電機(jī)定子，判定為三相直流電阻不平衡，成為待處理品。

（2）電機(jī)解體后，對(duì)三相不平衡的定子引線處進(jìn)行查看，確認(rèn)是否有明顯燒損或其他異常。若引線已燒損或斷裂，拍照并記錄和匯總故障信息，而該臺(tái)繞組則需全部更換。若外觀無(wú)法確認(rèn)故障位置，則進(jìn)行步驟3。

（3）用剪刀等工具剝除疑似故障引線焊接點(diǎn)處的絕緣（由于絕緣層是浸過漆的，此過程十分耗時(shí)耗力，且容易傷到附件線圈鼻部的絕緣）。查看引線焊接處電磁線表面是否有裂紋，若有，則繞組全部更換。若無(wú)，則進(jìn)行步驟4。

（4）用大剪線鉗將疑似故障引線從距引線焊接點(diǎn)適當(dāng)位置剪斷，同時(shí)剪斷其兩側(cè)的導(dǎo)電環(huán)。剪下的引線頭為一個(gè)T形結(jié)構(gòu)，粗的部分為導(dǎo)電環(huán)，細(xì)的為引線，焊接點(diǎn)位于引線和導(dǎo)電環(huán)搭接處。

（5）對(duì)疑似故障相的引線頭全部進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)，包括滲透檢測(cè)、微觀金相試驗(yàn)等，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果以確認(rèn)真正的故障所在引線。故障發(fā)生位置通常在焊接點(diǎn)根部或距焊接點(diǎn)10～20mm處的引線彎折處。

按上述方法，查找一臺(tái)電機(jī)的引線故障位置的平均時(shí)間在3 h左右，但仍有疏漏的情況（尤其是故障位置分布在多個(gè)引線上時(shí)）。此外，其他經(jīng)驗(yàn)類方法，例如一人用橡膠錘依次敲打3相共12組引線焊接點(diǎn)，由另一人實(shí)時(shí)觀察三相直流電阻的變化。此方法不用拆剪引線頭，但精準(zhǔn)度不高。

2 特征分析

引線故障通常在測(cè)量數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為三相直流電阻不平衡，故障形式為引線焊接點(diǎn)根部或引線彎折處出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。所以，在繞組通交流電時(shí)，引線裂紋和斷裂處會(huì)產(chǎn)生放電，造成該處溫度急劇上升，甚至超過銅的熔點(diǎn)。因此，嘗試?yán)霉收弦€在通電時(shí)溫度升高這一特點(diǎn)，進(jìn)行故障位置的查找。

3 方案制定

根據(jù)調(diào)研，能對(duì)繞組溫度場(chǎng)分布進(jìn)行直觀采集和分析的理想儀器為紅外熱成像儀。經(jīng)過篩選，最終確定了某款便攜式紅外熱成像儀。它具有128×160個(gè)紅外采集點(diǎn)陣，每一點(diǎn)都可以收集對(duì)應(yīng)物體表面的熱輻射能量，經(jīng)儀器內(nèi)部的運(yùn)算公式，編譯為L(zhǎng)ED顯示屏上像素顯示，整個(gè)圖像可根據(jù)溫度場(chǎng)分布自動(dòng)變換顏色，同時(shí)顯示視場(chǎng)內(nèi)的最高溫和最低溫以及中點(diǎn)溫度。紅外成像焦距在1.2m以上，十分適合電機(jī)定子的尺寸和視場(chǎng)范圍要求。該儀器具有實(shí)時(shí)截圖功能，保存格式除了有普通的jpg.和BMP.，還有專用的IS2.格式。此外，該儀器配備了專業(yè)分析軟件，可供技術(shù)員針對(duì)復(fù)雜的熱圖像（必須是IS2.格式）進(jìn)行分析。

整個(gè)方案大致分為以下幾步：

（1）紅外熱成像儀選型：外形與分析軟件界面，見圖2。

圖2 紅外熱成像儀和分析軟件界面

（2）引線故障電機(jī)在紅外熱成像儀下的故障識(shí)別驗(yàn)證。

選取某返修電機(jī)，三相不平衡度3.84%，外觀無(wú)異常。

電機(jī)解體后，將其定子放置到試驗(yàn)臺(tái)，通以工頻三相電流（此電流值需要既能使線圈較快速發(fā)熱，又不會(huì)對(duì)絕緣層等造成損害為準(zhǔn)。整個(gè)通電時(shí)間不超過1 min，溫升不超過70K），同時(shí)使用已經(jīng)開機(jī)并預(yù)熱的紅外熱成像儀對(duì)繞組進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)并截圖。通常，每隔10 s截圖一次，故障形式較復(fù)雜時(shí)可從多角度和多距離截圖。該臺(tái)電機(jī)的部分紅外熱圖像見圖3。

圖3 繞組紅外熱圖像

通電后約20 s后，故障引線內(nèi)部由于發(fā)熱高，使得其所在線圈的發(fā)熱量整體較其余線圈高，在紅外熱圖像里，顏色更趨高溫色。綜合先前測(cè)量的三相直流電阻（已初判為W相某引線故障），和發(fā)熱線圈的位置（8點(diǎn)鐘方向），可以確定是W8引線故障。此時(shí)故障查找已經(jīng)結(jié)束，若要做進(jìn)一步研究，可將截圖導(dǎo)入分析軟件，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。必要時(shí)可將二維熱圖像轉(zhuǎn)換成3D效果圖（軟件內(nèi)可自由拖拽3D視角），見圖4。在3D視角下，整個(gè)溫度場(chǎng)的分布更加直觀。

圖4 繞組3D紅外熱圖像

整個(gè)引線故障的定位過程（不包括軟件分析），從進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)的吊運(yùn)，到通電的約30 s，再到故障確定和用油漆筆做上標(biāo)識(shí)，總共不超過10 min。

（3）小批量驗(yàn)證新檢測(cè)方法，記錄和累積試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過一段時(shí)間檢測(cè)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)三相不平衡度從1.35%到49.15%都有分布，全部采用了紅外熱成像儀進(jìn)行了故障檢測(cè)。最終，所有引線故障均得到了準(zhǔn)確而高效的定位，檢測(cè)過程如圖5所示。

圖5 新工藝實(shí)施過程

以下是實(shí)測(cè)的紅外熱圖像及檢測(cè)、判定的故障引線位置。除了現(xiàn)場(chǎng)判定出引線故障位置，紅外熱圖像截圖都按月份和電機(jī)編號(hào)等導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，形成了針對(duì)每臺(tái)引線故障電機(jī)建立的普通照片加紅外熱圖像的檢修臺(tái)賬和數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 新技術(shù)優(yōu)勢(shì)

據(jù)新工藝的實(shí)施效果，結(jié)合操作者的反饋意見，可以肯定，紅外熱成像儀的應(yīng)用非常成功。新技術(shù)的實(shí)施降低了引線故障查找的難度和工作量，開拓了思路，引入了新的數(shù)據(jù)模式（即紅外熱圖像，單張圖像包含溫度值20480個(gè)），為后續(xù)更加深入的研究引線故障提供了豐富的數(shù)據(jù)支撐。相比傳統(tǒng)引線故障檢測(cè)方法，新技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)有：

（1）效率：由之前的每臺(tái)平均耗時(shí)3 h，減少至目前的10 min。

（2）難度：由工藝員測(cè)量分析和試驗(yàn)分析，加上操作者使用剪刀和剪線鉗等工具的多步驟查找方法，變?yōu)槟壳耙粋€(gè)操作者即可在試驗(yàn)臺(tái)單獨(dú)完成的簡(jiǎn)單方法。

（3）準(zhǔn)確度：之前對(duì)于1臺(tái)定子上3個(gè)以上的引線故障點(diǎn)，無(wú)論在數(shù)據(jù)分析上，還是實(shí)際查找中，均有很大的遺漏可能。而在紅外熱成像儀的敏銳捕捉下，各型引線故障均畢露無(wú)疑。而且，目前已經(jīng)有了識(shí)別出三相不平衡度在1.35%的引線故障的實(shí)例，這在之前會(huì)被當(dāng)作合格品交出。

表1

5 結(jié)語(yǔ)

（1）紅外熱成像儀受其原理所限，只能查看和分析物體表面的熱輻射特征，而且需要根據(jù)物體的表面特征調(diào)整發(fā)射率。本文涉及的表面材質(zhì)通常較為一致，不需要調(diào)整。然而某些特殊情形，如絕緣表面覆蓋了摻雜了油污的厚厚的泥巴時(shí)，可能會(huì)影響熱圖像溫度場(chǎng)的局部分布特征。所以，正在研究適用的幾種物體表面的熱輻射特征，進(jìn)而逐步形成被測(cè)表面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，同時(shí)也為其他電機(jī)故障檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用做好前期理論鋪墊。

（2）在紅外熱成像儀的檢測(cè)下，出現(xiàn)過一些之前從未有過的熱圖像，例如不規(guī)則的整組高溫或低溫，這些情形的分析，需要更多的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，我們正在研究和學(xué)習(xí)中。

（3）其他繞組故障，例如絕緣方面的劣化狀況在紅外熱圖像下的表現(xiàn)，以及引線故障初期或其他銅材內(nèi)部的缺陷和劣化，可能需要更加精密的儀器和分析方法才能發(fā)現(xiàn)。我們正在研究新的方法，為新產(chǎn)品機(jī)械、電氣、絕緣等性能改善提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。