夏文武，刘德玺

（华能瑞金发电有限责任公司，江西 赣州 341108）

0 引言

状态检修是一种先进的设备管理机制，它通过状态监测对设备状态进行准确的评价，依据设备的重要程度而采取不同的检修策略，保证设备安全经济运行。这种设备管理机制成功的避免了传统计划性检修临时性维修频繁、盲目维修、费用损耗大、影响设备运行时间等缺陷，是电力检修技术发展的必然趋势。随着计算机技术、传感器技术、数字信号处理技术等相关学科的飞速发展以及企业对推进状态检修的愈加重视，促进了状态监测与故障分析领域的进步，科学的执行设备状态检修成为可能[1]。

1 异步电动机状态监测

设备状态是指设备运行的工况，由设备运行的各种性能参数与设备标准指标的比较值表征。设备的状态监测是指制定合理的监测计划，按照计划通过测量其电气量、机械量、热工量等参数并结合历史数据和工作环境，进行设备工况分析，对设备的运行状态进行客观的评价。由于大型异步电动机价格昂贵，其一旦发生故障往往造成整个生产进程的中断，导致的损失远超电动机本身。所以做好电动机的运行状态监测工作，为设备的可靠运行、检修安排以及后期的故障分析打好基础，对于企业的可靠经济生产具有重要的意义[2]。

1.1 异步电动机的状态监测常用手段

1.1.1 电气量监测

电气量（电压、电流、零序电流等）监测是异步电动机最常见、最直观、最有效的一种监测方式。在日常生产中，可以通过生产SIS系统观察设备相关电气量的数值和历史趋势。在实际生产现场中，重要的电动机设备都会投入电流速断保护、过流保护、低电压保护、零序电流保护、差动保护作用于跳闸，过负荷保护等作用于报警，当设备发生相应的异常或故障后都会在测控保护装置中有相应的体现，能够及时的保护设备并对后期的故障分析提供方向[3]。

1.1.2 振动监测

这种方法是利用振动传感器来对电动机轴承和机座的振动进行监测。振动传感器的输出信号经信号处理（频谱分析）后，与该电机的故障特征频率相比较，从而寻找出故障性质和故障部位。一般来说，不同的故障性质会有不同特征的振动，但是振动监测还是存在一定的局限性，由于生产现场的复杂性，会对振动信号产生较大的干扰，此外多种故障的特征频率相互重叠，需要更高的技术水平与检修经验进行区分。

1.1.3 温度监测

在生产现场的重要电动机设备在安装时都会在定子绕组、轴承室等部位事先埋入温度传感器将温度信号传输至生产SIS系统中进行监测，这种监测方式应用较早，由于传感器数量和位置分布的限制性，有时候也难以反映故障部位的实际发热状况，这就要求检修人员定时要利用点温枪、红外温度测试仪对电机进行更详细的温度测量。

1.2 异步电动机状态监测的发展现状与方向

异步电动机的功能是进行电能和机械能的转换，其中涉及的因素有很多，如电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统、通风散热系统等。因此，电机状态监测和故障诊断涉及的技术范围更广。从电机监测技术的发展上看，随着工业生产的发展和设备日趋复杂和精密的发展趋势，设备状态监测的方法也在不断革新。在工业初期，由于设备比较简单依靠人的五官感觉和简单工具进行检查和监视，这种监测结果和检修人员的技术水平和经验具有直接的关系，不能做定量的测定，并且有时无法做早期发现内部隐患。随着技术的发展，出现了用专业仪器监测的手段，根据需要使用振动计、频谱仪、兆欧表、超声波探伤等设备进行监测，在一定程度上可以对设备状态参数进行定量的测量。

目前使用比较广泛的电机状态监测方式是离线和在线监测。离线监测的特点是监测周期为间断的，监测点的位置是固定的，机器的状态信号由人工采集，由计算机进行处理储存，不能对迅速发展的故障做出及时的反应和预测。在线监测是通过安装在设备上的传感器，随时可以获取机器运行的各种状态信号，可对机器进行连续的监测，相比之下能早期发现故障，并密切监视其发展趋势。经过多年的发展，一大批状态监测系统也相继投入使用，这些监测系统能连续不停地进行监测和比较，经过计算机分析和处理，对于数据超限的设备进行报警或切断电源。

尽管电动机监测技术已经取得了很大的进步，但是仍然存在一些不足。主要是因为电动机故障的复杂性，系统故障检测的误判率较高，准确度也较低。近年来研究较多一种方法是基于人工智能的状态监测及故障诊断，通常利用神经网络来实现学习与分类决策功能，为了能够对故障进行分类，往往需要通过学习将系统参数或结构固定下来，待识别信息由已训练的神经网络进行处理，便可依据某一判断准则对识别对象进行分类，最后给出准确、及时的故障诊断结论。状态监测是故障诊断和电动机保护的基础，它可以及时发现电动机的安全隐患，节省人力物力的同时保证生产的可靠进行。状态监测和故障诊断二者的合理结合是目前电动机研究的热点和发展趋势。

2 异步电动机的故障分析方法

异步电动机从结构上来看比较简单，但实际上运行中的电动机是一个复杂的系统，具有复杂的机、电、磁等物理变化，甚至会从中引发出一些化学变化。长期运行的电动机某些部件性能会逐渐劣化，从而引起电动机产生一系列故障。在实际生产生活中，电动机的故障从学科上进行划分可以分为电气故障和机械故障两大类。

2.1 电气故障

2.1.1 接地故障

异步电动机由于运行环境不良，受潮等原因导致绝缘下降，很容易发生接地短路故障。异步电动机通常采用△型连接和Y型连接。

正常运行时均无零序分量，但一旦发生接地故障，无论是金属性还是非金属性的，均在相电流中出现零序分量，因此，可以将系统中是否出现零序分量作为接地故障的判断依据。接地故障会对电动机本体绝缘造成较大的伤害，在电动机投运前一定要注意测量电动机绝缘与吸收比是否良好，潮湿天气启动前应提前投入加热器以保证电动机绝缘良好。

2.1.2 缺相故障

异步电动机缺相运行是常见的故障之一，某一相线路开关触点或接头导线接触不良等都会造成电动机缺相故障。若在启动时缺相，由于合成转矩为零而无法启动，其电流比正常工作时的电流要大得多，并多伴随着电动机振动。若在运行时突然缺相，若负载转矩较小，电动机会维持转动，但转速和转矩都会有所下降，在相电流中会出现负序分量。因此在电动机启动时，就地应有人监视，若发现异常及时联系操作人，避免电动机起动缺相。在日常维护期间也应该定期对电动机接线盒内接线进行检查，防止以后的运行中出现脱落导致缺相故障。

2.1.3 相间短路故障

异步电动机相间短路故障通常发生在接线端子处或绕组内部，对于绕线式异步电动机出现的频率更高。电动机相间短路故障通常会出现大于8倍以上的额定电流，使绕组迅速产生高热，电机温度迅速升高，导致绝缘损坏，甚至烧毁电机。在解体检查时多能发现明显的烧黑、熔断点。为了防止此类事故的发生，在电动机进行解体检修后，一定要做好绝缘、耐压等预防性试验，并安排合理的试运时间，做好预防工作。

2.1.4 电压不平衡、过压、欠压

三相电压不平衡将导致电动机三相电流不平衡，在电流中将出现负序分量，一方面会使电动机发热，另一方面，负序分量将产生与正序方向相反的电磁转矩，导致电动机的电磁转矩降低，电压不平衡程度越高，电机发热和转矩降低的情况越严重。

过电压将可能损坏电动机的绝缘，并使电动机的电流上升，如不及时排除则可能演变为相间短路或接地故障。

由于电动机电磁转矩和电压的关系为：T∝U2，欠电压会引起电磁转矩的急剧下降，如果电动机拖动的为恒转矩负载，将会导致电动机的转速下降，电流急剧上升，引起温度上升从而引发其他故障。

2.1.5 在实际生产现场，电动机的种类和数量较多，电气故障的种类也比较繁多，除了上述的常见故障外还有一些电路、磁路等方向的故障，这就要求检修人员在检查故障点时要认真仔细、广发思维。在工业自动化技术快速发展的今天，实际上绝大多数电动机设备都会针对短路故障、过载故障、电压故障以及接地故障等设置电流速断保护、过流保护、欠电压及电压不平衡保护以及零序电流保护等。同时还会设置一些过负荷保护、温度保护装置作用于报警，对异常工况及时发出警告，避免异常进一步演变。这些保护装置也会连续监视运行电压、电流等参数，保护动作时也会记录相关的动作原因。这些对电气故障分析工作都有很大的帮助。

2.2 机械故障

电动机机械故障由于其相比较电气故障并没有特别明显的特征，有些机械故障的发生点比较隐蔽并且一些机械故障还会伴随着多种异常现象，对于电动机故障分析往往是难点所在。因此分析电动机机械故障要仔细观察并且具备一定的检修经验。

2.2.1 轴承故障

轴承是支撑电动机转子的负重部分，运行时要保持长时间高速转动，是比较容易损坏的部分。当滚动轴承缺油时，会听到骨碌骨碌的声音，此时要及时进行补油工作，补油通常会造成电动机轴承温升，所以每次补油不宜过多，补油后也应当监视4 h以上，保证电机轴承温度不超标。

在电动机运行时若听到不连续均匀的嗡嗡声，并伴随有轻微的杂音，可能是由于轴承内混有沙土等杂物或轴承零件有轻度磨损故障。此时应当停机检查，先察看轴承滚动体、内外钢圈是否有破损、锈蚀、疤痕等，然后用手捏住轴承内圈，并使轴承摆平，另一只手用力推外钢圈，如果轴承良好，外钢圈应转动平稳，转动中无振动和明显的卡滞现象。否则说明轴承已不能继续使用了，应当及时更换新轴承。

2.2.2 端盖故障

机壳和端盖同样也是故障的易发点，若电动机发生振动大、异音等现象时也要对机壳和端盖进行检查。端盖与轴承配合不紧密，则有可能造成轴承外圈与端盖产生摩擦，造成电机振动大、轴承过热等现象。

首先要通过检查端盖表面是否有摩擦、裂纹痕迹。然后要测试端盖的椭圆度是否在标准范围内。若有裂纹应进行堆焊修复，或者更换新的端盖。对于功率较大的电动机，也可采用镶补或电镀的方法，最后加工出轴承所需要的尺寸。

2.2.3 定、转子机械故障

定、转子都是由相互绝缘的硅钢片叠成，是电动机的磁路部分。定、转子铁芯的损坏和变形主要从以下几个方面检查。

1）检查定子、转子表面有无摩擦痕迹，是否有异物等。轴承内圈与轴的配合是否紧密，内圈与轴有无摩擦痕迹。轴承过度磨损或装配不良，都可能导致定、转子相擦，使铁芯表面损伤，进而造成硅钢片间短路。导致电机出现振动大、温度高的现象。

2）长时间闲置的电动机要检查定、转子是否有因受潮等原因造成铁芯表面锈蚀，此时需用砂纸打磨干净，清理后涂上绝缘漆。

3）检查转子动平衡是否合格，电动机转子动平衡不合格会导致轴承受力不均匀，加剧轴承磨损，并也会伴随着电动机振动大的现象。

2.2.4 在实际的生产生活中，电动机的机械故障是复杂多样的，无法一一列举，在这里仅列举了一些常见的机械故障。根据检修经验，检查电动机机械故障可以用“望、闻、问、切”四个字来概括。“望”及观察电动机运行时的异常情况，哪些部位温度过高、哪个位置振动更强烈。在电机解体后要仔细检查定子、转子、端盖等重要部位有无明显的磨损、锈蚀等异常情况。“闻”就是听声音，当电动机发生机械故障时大都伴随着异音，哪些部位有异音、异音的音调等对故障分析都能提供重要的依据。“问”就是咨询、查询，根据电动机异常情况咨询相关专家和经验丰富的检修人员、查询电动机的厂家资料和网上的检修经验，对故障的分析有很好的帮助。“切”就是利用频谱仪、测振仪等监测仪器对电动机进行一个定量的数据分析，通过频谱或其他比对的方式进行检查分析。电动机的机械故障分析是一项比较复杂的学科，需要检修人员具有较高的技术水平与工作经验。

3 高压异步电动机的检修实例

本章主要结合我厂高压异步电动机故障的分析过程探讨一下具体的故障分析方法。在本年度我厂机组停机检修期间，对某高压电机进行了检修工作，该电机的型号为YMPS500-6，额定电压6 kV，额定功率450 kW，驱动端为NU230.E.M1与6 032.C3双轴承结构，自由端为NU230.E.M1单轴承结构。

该电机在平时运行时轴承位置会有“突、突、突”的异音，解体检查定子、转子并未发现明显异常。更换前后轴承后再次试转异音仍然存在，且温度上升至69℃仍然不能稳定。经频谱仪测试发现轴向振动超标为5.079 1 mm/s（频率为100 Hz）。实验数据如表1所示。

表1 电动机试转振动数据mm/s

根据测试数据发现，电机运行起始振动情况较好，但运行10 min后振动逐渐变大，特别是轴向振动更加强烈，现场轴承处异音也随之变大。根据频谱仪的检测结果分析，该电机在6倍频或2倍线频位置轴向振动最为强烈，根据异音情况并对比故障频率后分析可能为转子故障。分析出来问题的大方向后，开始着重对转子进行检查分析。

首先要先对转子进行直观的检查，主要检查项目有：转子表面是否有明显摩擦现象、绝缘漆是否完整，铁芯及鼠笼条是否有松动断裂、转子轴是否弯曲、转子轴与轴承配合是否紧密。上述检查完毕，未发现异常现象。随即对转子做了冷态动平衡和热态动平衡（带前后扇叶），检查转子是否存在不平衡问题。经过检查发现：电动机转子在161°的位置偏差236 g。随后重新调整了配重，达到合格标准后，将转子整体放入烘箱，加热至50℃模拟转子受热膨胀时的情况，进行热态动平衡测试，结果仍然在合格水平。解决完该问题后为了排除端盖磨损问题，又对电机端盖椭圆度、尺寸等进行了测量，结果仍在标准范围内。随之对电动机进行了组装并再次试转。结果仍然存在电机运行一段时间后振动、异音变大的问题，说明并没有真正的解决异常原因所在。

排除了以上异常点之后，电动机仍然存在轴向振动大的问题，经专业讨论推断，还有可能存在电动机转子铁芯与转轴松动问题或者磁力中心偏移问题。为了通过实验验证问题所在，决定将电动机继续试转，这可以维持电机内部温度，让转子铁芯充分膨胀，根据电动机振动情况判断在高温下转子铁芯是否存在松动问题。相关的实验数据如表2所示。

表2 电动机高温情况下的振动数据mm/s

根据实验数据可以看出，温度越高的情况下振动是呈逐渐加大的趋势，所以有理由怀疑在温度较高时，转子铁芯由于受热膨胀使其与轴配合不紧密导致松动。为了确认情况，使用压机将转子轴压出，观察转子硅钢片内部表面粗糙，转轴表面有摩擦痕迹。推断该电机转子铁芯制造时，由于其转速较低，转子铁芯承受的向心力较小，所以是先把转轴立起来，将硅钢片一片一片叠起来后用压机压实，利用轴上的筋与端部的五个锲子将硅钢片定位，并与轴固定在一起，见图1。这种安装方式更加便捷，但问题是随着使用时间变长，硅钢片内部粗糙，当转子受热膨胀时，转子铁芯与转轴接触面减小，导致松动串轴。如果进行大面积的激光冷焊进行修复，成本上是不可行的，所以最终决定先将转子铁芯内部车光滑后（为了增大转子铁芯与轴的接触面积）根据转子铁芯的孔径确定轴径，为了保证不再发生轴松动的问题，设计新轴的过盈量为0.25 mm～0.28 mm。

图1 拆解后的转子铁芯内圈和转轴

新轴制作好后，重新安装进行试转工作。在试转的开始时电动机运行状态良好，但试运2 h后轴向和垂直振动开始逐渐变大，根据频谱分析在116 Hz即7倍频时振动最大，在驱动端也出现了异音问题。根据这种现象分析可能是更换新轴后膨胀系数与原轴不同，在轴受热膨胀后磁力中心偏移，并且存在冷态热态磁力中心偏差大的问题。具体数据如表3所示。

表3 更换新轴后的振动数据mm/s

这里提供一个当通过静态测量无法判断磁力中心位置时，测试电动机磁力中心是否偏移、往哪个方向偏移的实验方法供参考。试验方法为在驱动端安装两个滚珠轴承，相当于转子在电机内无法轴向串动，测试此时的电机振动情况，随后将电机驱动端端盖后加垫片，相当于将电机转子整体向驱动端移动一段距离，若振动有减小的趋势，则可以判断磁力中心确实向该方向移动。之后可以继续调整垫片厚度，直至电动机振动达到合格水平。最终解决办法可以将轴进行加工，驱动端轴承座位置车进合理距离，并于自由端加垫片的方式使电机转子整体向驱动端移动，以保证磁力中心稳定。

我厂电动机通过实验确定磁力中心向驱动端偏移4 mm。对电机轴进行加工完毕后重新组装试运，电动机试运4 h，各项指标均达到合格水平。

从本次的检修过程中可以看出，高压异步电动机的故障检查是一项复杂的工作，正如前文所说，它涉及到多种学科，对于有些机械故障多是一些隐性的问题，很难从表面上看出问题所在，需要根据一次又一次的实验数据、试转现象进行判断分析。作为电力检修人员要学会从每一次故障中学习。才能为今后的分析工作提供更多的经验。

4 结语

近年来异步电动机自动控制系统研究取得了很大的进步，异步电动机越来越能够满足更精密设备的性能要求，在今后仍将是设备动力的主要来源。随着工业企业生产自动化程度的日益提高，在企业精成本、提效益的大背景下，加强电动机状态监测与故障分析技术具有十分重要的意义。本文以异步电动机状态监测与故障分析为主要内容，结合我厂高压异步电动机检修实际情况做了如下工作：

1）分析了异步电动机状态监测应当把握的要点内容，对异步电动机常见的电气故障、机械故障进行了总结与分析。

2）结合我厂高压异步电动机的实际检修过程，解释了在生产现场中故障分析方法的现实应用，并提供了相关故障判断的实验方法与后期排除故障的方式。

尽管本文在异步电动机状态监测、故障诊断问题上进行了有益的探讨，但还是有不少工作需要深入。相信在广大电力检修人员的共同努力下，随着科学技术的日益进步，异步电动机的状态监测与故障分析技术将会更加科学完善。