船舶电机实测电气参数分析研究.pdf

第36卷第4期技术交流船舶电机实测电气参数分析研究苏高辉，罗日荣，赵敬民，罗中一（91663部队，山东 青岛266000）摘要：文章统计分析了670台船舶中小型异步感应电机的绕组电气参数，得到绕组电气参数的分布情况及绕组电气参数不平衡度的分布情况。分析表明，电机故障检测仪厂商推荐的电机状态评判标准在监测工作中较难落实。文章基于统计数据给出了更符合实际的电机状态评判建议，分析得出的结论可以为船舶电机的现场测试、开展船舶电机状态监测及故障诊断提供参考。关键词：船舶电机；状态监测；电机故障检测仪；数据统计中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2023.04.001Abstract：In this paper，the winding electrical parameters of 670 small or medium-sized asynchronous induction motors of ships are statistically analyzed，and the distribution and unbalance degree of the winding electrical parameters are obtained.The analysis shows that the motor status evaluation standard recommended by the manufacturer of motor fault detectors.It is difficult to be implemented in actual monitoring work.Therefore，this paper givesmore practical suggestions for motor status evaluation，and the conclusions can provide a reference for the field test，state monitoring，and fault diagnosis of ship motors.Key words：ship motor；status monitoring；motor fault detector；statistical analysis船舶辅助系统如消防系统的消防泵、船舶运动控制系统的操舵装置、燃油滑油的注入转运系统等都是靠电机带动，这些电机的正常运转对于维持船舶的操作性、居住性、生命力具有重要意义；综合电力推进系统将是未来船舶的主要发展方向之一1，推进电机作为其推进系统的核心单元，其可靠运行将直接关系船舶的生命力。因此，对船舶电机状态进行监测，掌握健康程度，分析潜在的故障隐患及发展趋势，并对其进行健康管理，对于保障船舶生命力具有十分重要的意义。目前，船舶监测机构对船舶电机开展状态监测与故障诊断时，使用的主要仪器是某公司生产的基于电机电路分析（MCA）技术的电机故障检测仪及其类似的国产化产品。该类仪器对电机绕组进行静态电气性能测试，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，具有对电机电气故障敏感，体积、重量小，携带、操作方便等优点。为更加科学地评估测试结果和指导监测诊断实践，本文统计了670台船舶中小型三相异步感应电机的绕组测试参数，并进行了分析讨论。1测试原理及方法1.1电机故障检测仪测试原理基于电机电路分析技术，将电机故障检测仪的三相感应电机的每一相绕组视为一个包含电感、电容和电阻的等效元器件。仪器为每一相绕组输入一个高频低压的交流信号，根据施加的电压和流过绕组的电流，计算出每相绕组的5个参数：直流电阻（R）、阻抗（Z）、相角（P）、电感（L）和倍频（I/F）。健康电机的三相绕组对称平衡，测得作者简介：苏高辉（1988-），男，河南民权人，工程师，博士，主要从事船舶装备状态监测工作。中 国 修 船01中 国 修 船2023年8月技术交流的3组参数也相同。当电机出现匝间短路、转子断条等电气异常时，会导致某相或多相绕组性能变化，测得的参数不再平衡，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2-3。1.2测试对象及方法本文对各型船舶电机开展了技术状态参数监测，测试电机均为三相异步感应电机，含空压机电机、冷水机组电机、消防系统电机、推进系统辅助泵电机、补给系统电机、甲板机械电机等，数据具有代表性，测试电机功率小于100 kW。开展大量电机测试时，通常不考虑电机内部的具体接线方式，直接在电控箱内向电机输入电流的三相接线柱“U、V、W”上进行。通过用电机故障检测仪的2个测量笔与3个接线柱两两相连，即U-V测量、U-W测量、V-W测量，可测得3组数据，每组数据包含 5 个参数，即R1、Z1、P1、L1、I/F1；R2、Z2、P2、L2、I/F2；R3、Z3、P3、L3、I/F3。典型电机绕组电气参数测试见表1。2电机绕组电气参数分析2.1数据清洗预处理现场测试存在触点接触不良、仪器跳频、人员操作记录不规范等各种因素，导致部分测试数据缺失或者数值明显异常等情形，需要对数据进行清洗预处理。数据预处理主要集中在以下几个方面：一是删除测试数据/记录数据不全面不规范的电机，如某相阻抗空缺难以补全、将电感与相角记错位置导致难以区分等情形；二是删除数据严重失真的电机，如出现测试电感65 535 mH等情形；三是对出现跳频的阻抗进行修正处理，在绕组阻抗测试过程中，测试仪器可能会出现测试频率翻倍的现象，导致某相阻抗为其余相的2倍左右，在数据处理时对此类情况的测试阻抗进行乘以1/2的调整。电机绕组污染等情况也会导致阻抗的严重不平衡，分析时应判断是否出现了跳频，通常可以参考阻抗修正后的不平衡度与测试电感的不平衡度是否基本一致，若二者基本吻合，可以认为出现了跳频现象。数据预处理后，用于实际分析的电机为670台。2.2电机绕组电气参数分布分析首先统计了电机绕组电气参数的分布情况，电机绕组电气参数分布统计见表2。图1图5为测试电阻、阻抗、电感、相角、倍频的分布情况。对于1台特定电机，其某个电气参数定义为该参数三相测试的平均值，即电机i的电气参数为：Ri=(Ri1+Ri2+Ri3)/3，（1）Zi=(Zi1+Zi2+Zi3)/3，（2）Li=(Li1+Li2+Li3)/3，（3）Pi=(Pi1+Pi2+Pi3)/3，（4）I/Fi=(I/Fi1+I/Fi2+I/Fi3)/3，（5）式中，Ri为电机i的电阻；Zi为电机i的阻抗；Li为电机i的电感；Pi为电机i的相角；I/Fi为电机i的倍频；i的取值范围为1670；Ri1、Ri2、Ri3为电机i的电阻三相测试值，其余各项参数同理。电机的阻抗（Z）为：Z=R2+()L2，（6）式中，为测试信号频率；R 为直流电阻；L 为电感。I/F为：I F=I2-I1I1 100%=R2+()L2R2+()2L2-1 100%，（7）式中，I1、I2为频率加倍前后的电流。1）测试电阻（R）分布分析。R为定子线圈的电阻，电机的功率越大，R值越小。由表2可知，R 的分布范围为 0.01 27.50，平均值为 0.81，中位数为0.30，50%电机的电阻小于0.30。由图1（a）可知，船舶电机的电阻分布集中于5.00 以下；由图1（b）可知，R5.00 的电机占分析电机总数 96.42%，R10.00 的电机占分析电机总数的比例小于0.75%。基于此，建议在电机绕组序号12电机名称锚机后绞盘电阻（R）/R10.8080.440R20.4740.439R30.4700.440阻抗（Z）/Z15234Z22733Z32734相角（P）/（）P17876P27576P37576电感（L）/mHL1106L256L356倍频（I/F）/%I/F1-48-47I/F2-47-46I/F3-47-47绝缘/M3529表1典型电机绕组电气参数测试02第36卷第4期技术交流测试过程中，若某相测试电阻大于5.00，应检查测试笔与被测接线柱的接触情况，或者电控箱电源输出端子与电机输入端子之间是否存在松动或者锈蚀，排除接触不良的情况后重新测量。（b）电机测试电阻累计分布图1测试电阻分布情况电阻/1015202530501.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1累计分布电阻/1015202530500.80.70.60.50.40.30.20.1分布比例（a）电机测试电阻分布2）测试阻抗（Z）分布分析。由式（6）可知，Z取决于R、L，并随测试频率变化。由表2可知，Z 的分布范围为 1.00 299.00，平均值为35.37，中位数为 19.00。由图 2可知，Z绝大部分小于 150.00，Z150.00 的电机占比为97.16%。3）测试电感（L）分布分析。L既包括定子绕组的电感，也包括转子绕组和定子绕组的互感。由表2可知，L的分布范围为086.33 mH，平均值为7.31 mH，中位数为3.00 mH。电机L的测试最小值为0，因为在自动测试模式下电机故障检测仪的电感测试分辨率为1.00 mH，由于大型电机的电感很小，当其测值小于1.00 mH时，仪器可能会取舍为0。由图3可知，船舶电机的L值绝大部分小于60.00 mH，L60.00 mH的电机占比为98.96%。4）测试相角（P）分布分析。P表示绕组等效电路内测试电压的波形领先于响应电流的相位情况。对于纯电感电路，电压的波形领先电流90，相角为90；对于纯电阻电路，电压与电流同相，相角为0。异步感应电机定子绕组为多匝线圈连接而成，完好的电机绕组接近纯电感电路，相角表2电机绕组电气参数分布统计统计值最小值最大值中位数平均值参数电阻（R）/0.0127.500.300.81阻抗（Z）/1.00299.0019.0035.37相角（P）/（）11.0081.6768.3368.68电感（L）/mH086.333.007.31倍频（I/F）/%-50.00-13.00-45.00-44.79阻抗/1001502002503005000.60.50.40.30.20.1分布比例（a）电机测试阻抗分布阻抗/01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1累计分布（b）电机测试阻抗累计分布图2测试阻抗分布情况10015020025030050电感/mH01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1累计分布（b）电机测试电感累计分布图3测试电感分布情况102030405060708090电感/mH10203040506070809000.60.50.40.30.20.1分布比例（a）电机测试电感分布苏高辉，等：船舶电机实测电气参数分析研究03中 国 修 船2023年8月技术交流接近 90，受使用环境和寿命影响，L 逐渐降低、性能逐渐劣化，P也逐渐降低。由表2可知，对于所分析的电机，P的分布范围为11.0081.67，平均值为68.68，中位数为68.33。由图4可知，船舶电机的测试相角集中于50.0080.00，位于此区间的电机占了总数的97.17%。相角/（）1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10累计分布（b）电机测试相角累计分布图4测试相角分布情况102030405060708090相角/（）10203040506070809000.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02分布比例（a）电机测试相角分布5）测试倍频（I/F）分布分析。通过 I/F测试量化绕组匝间短路的劣化程度。由式（7）知，在纯电感电路中，R=0、I/F=-50%；在纯电阻电路中，L=0、I/F=0。绕组完好时类似于纯电感电路，当匝间短路发展到最后，电感几乎完全失效，绕组类似于纯电阻电路。I/F值从-50%向0的发展意味着绕组短路程度逐渐严重。由表2可知，I/F的分布范围为-50.00%-13.00%，平均值为-44.79%，中 位 数 为-45.00%。由 图 5 可 知，I/F 集 中 于-50.00%-38.00%，位于此区间的电机占了总数的99.25%。2.3电机绕组电气参数不平衡度分析根据测得的绕组电气参数的不平衡程度和类型，可以判断电机的健康程度和故障类型。对于1台测试电机，其电阻不平衡度（Ru）、阻抗不平衡度（Zu）、电感不平衡度（Lu）、相角不平衡度（Pu）、倍频不平衡度（I/Fu）分别为：Ru=Rmax-RminRmax 100%，（8）Zu=Zmax-ZminZmax 100%，（9）Lu=Lmax-LminLmax 100%，（10）Pu=Pmax-Pmin，（11）I/Fu=I/Fmax-I/Fmin，（12）式中，Rmax、Rmin为电阻 R 的最大值和最小值；Zmax、Zmin为阻抗 Z 的最大值和最小值；Lmax、Lmin为电感L的最大值和最小值；Pmax、Pmin为相角P的最大值和最小值；I/Fmax、I/Fmin为倍频I/F的最大值和最小值。电机健康完好时三相绕组对称平衡，各电气参数不平衡度为0。不平衡度表示各电气参数对不平衡度 0 值的偏移程度。由各参数的计算公式可知，各不平衡度均为正数，为便于统计各参数相对不平衡度 0 值的偏移程度，计算出偏移的标准差，本文将所测得的电机参数镜像取负值组成1个新的测试样本，与原始未镜像样本组合成1个新的分析样本。新组合的样本各电气参数分布关于坐标轴Y对称，均值为0，对新样本的统计分析可得各电气参数不平衡度的分布情况。电气参数不平衡度的统计结果见表3，测试电阻、阻抗、电感、相角、倍频不平衡度分布情况见图6图10。表4为仪器厂推荐使用的电机平衡状态评判标准。按照此标准，根据图6图10中累计分布函数，倍频/%-50-45-40-35-30-25-20-15-100.180.160.140.120.100.080.060.040.020分布比例（a）电机测试倍频分布倍频/%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10累计分布（b）电机测试倍频累计分布图5测试倍频分布情况-50-45-40-35-30-25-20-15-1004第36卷第4期技术交流可以计算出故障电机占电机总数的比例。阻抗不平衡故障电机（Zu 5%）占比21.64%，相角不平衡故障电机（Pu 2）占比9.55%，电感不平衡故障电机（Lu 15%）占比7.91%，倍频不平衡故障电机（I/Fu 3）占比 2.69%。按此标准，21.64%的电机会被判定为故障状态，实际上大部分阻抗不平衡的电机的运行无明显异常，可见，此标准对于实际使用中的船舶电机考评过于严苛，在实际监测工作开展过程中难以落实。电机故障检测仪对于电机绕组的电感变化非常敏感，通过提高测试频率放大相间阻抗的不平衡程度，可以监测微小匝间短路等早期电气故障。本文建议根据实际统计数据，修正评判阈值，1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1累计分布（b）测试电阻不平衡度累计分布图6测试电阻不平衡度分布情况20406080电阻的不平衡度/%1000电阻的不平衡度/%0.080.070.060.050.040.030.020.010分布比例（a）测试电阻不平衡度分布1000100-50-10050表3电气参数不平衡度的统计结果统计值最大值1倍标准差3倍标准差参数电阻不平衡度（Ru）/%98.8831.3393.98阻抗不平衡度（Zu）/%76.367.0020.99相角不平衡度（Pu）/()6.001.103.31电感不平衡度（Lu）/%100.0012.5937.76倍频不平衡度（I/Fu）/%19.001.514.53电感的不平衡度/%0.80.70.60.50.40.30.20.10分布比例（a）测试电感不平衡度分布1.00.90.80.7累计分布（b）测试电感不平衡度累计分布图8测试电感不平衡度分布情况0电感的不平衡度/%020406080-50-10050100100相角的不平衡度/（）0.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050分布比例（a）测试相角不平衡度分布1.00.90.80.70.60.50.4累计分布（b）测试相角不平衡度累计分布图9测试相角不平衡度的分布情况相角的不平衡度/（）0123456-8-6-4-202468阻抗的不平衡度/%0.60.50.40.30.20.10分布比例（a）测试阻抗不平衡度分布1.00.90.80.70.60.5累计分布（b）测试阻抗不平衡度累计分布图7测试阻抗不平衡度的分布情况0-80-60-40-2020406080阻抗的不平衡度/%01020304050607080苏高辉，等：船舶电机实测电气参数分析研究05中 国 修 船2023年8月技术交流以表3中参数不平衡分布的1倍标准差为缺陷判断界限，以3倍标准差为故障判断界限，即：良好不平衡度1倍标准差缺陷不平衡度3倍标准差故障不平衡度，按统计标准差推荐的评判标准见表5。倍频的不平衡度/%0.60.50.40.30.20.10分布比例（a）测试倍频不平衡度分布1.00.90.80.70.60.5累计分布（b）测试倍频不平衡度累计分布图10测试倍频不平衡度分布情况倍频的不平衡度/%0101520-20-15-1010152005-55表4仪器厂推荐使用的电机平衡状态评判标准类别良好缺陷故障参数阻抗不平衡度（Zu）/%235相角不平衡度（Pu）/()012电感不平衡度（Lu）/%51015倍频不平衡度（I/Fu）/%023按表 5评判的电机健康状态分布情况见表 6，表6的分布结果与实际情况更为相符。3结束语电机绕组电气参数的分布分析表明，电机绕组的直流电阻主要集中于5.00 以下，测试阻抗值集中于150.00 以下，测试电感值集中于60.00mH以下，测试相角集中于50.0080.00，测试倍频集中于-50.00%-38.00%。在船舶现场运用电机故障检测仪开展实测时，应注意观察每一相的测试结果，若出现超出上述范围的数据，应检查电机功率、测试端子与电机接线柱的接触情况，进行重新测试。电机绕组电气参数的不平衡度分布分析表明，电机故障检测仪厂推荐的电机健康度评判标准对船舶电机运用实际来说过于严苛，本文提出采用参数不平衡度的1倍标准差为缺陷判断界限，以3倍标准差为故障判断界限，得到的电机健康状态评估方法更符合实际情况。参考文献1 邵开文，马运义.舰船技术与设计概论M.北京：国防工业出版社，2014.2 苏高辉，古成中，罗日荣，等.基于MCA理论的电机故障检测方式试验研究J.中国修船，2018，31（4）：46-50.3 郭占强，史光.MCA电机故障诊断技术的应用J.中国设备工程，2017(9):22.收稿日期：2022-10-31表5按统计标准差推荐的评判标准类别良好缺陷故障参数阻抗不平衡度（Zu）Zu7.00%7.00%Zu20.99%20.99%Zu相角不平衡度（Pu）Pu1.101.10Pu3.313.31Pu电感不平衡度（Lu）Lu12.59%12.59%Lu37.76%37.76%Lu倍频不平衡度（I/Fu）I/Fu1.51%1.51%I/Fu4.53%4.53%I/Fu表6按表5评判的电机健康状态分布情况类别良好缺陷故障电机占比阻抗85.5212.691.79相角90.457.611.94电感90.007.312.69倍频90.608.061.34%06