三相电机故障分析及诊断方法研究

王琦 张磊 王鑫

中车永济电机有限公司工业电传动事业部修配公司 山西 永济 044500

摘要：早在上世纪60～80年代国内电机领域专家，就开始研究电机故障及其机理，故障诊断方法，并以此形成了许多重要的研究理论成果。其中以绕组温度监测法、运行电流(包括启动电流、运行电流、空载电流等)分析法、振动噪声特征频谱法等诊断方法最为广泛。电机电气故障的类型主要包括定子绕组故障(主要包括匝间短路或特定位置破压)、转子故障(工艺手段或设计不合理引起的局部电流过大造成的转子断条)、其他故障引起的电气故障(主要电气气隙的破坏或绕组绝缘破坏而造成的短路)。相比电气故障电机的机械故障存在的更为广泛，从故障机理上入手，大体都是电机中动、静间隙的改变或轴系变形导致的间隙干涉，如转子热载荷或结构载荷设计不合理导致轴系变形，使得定、转子发生“擦碰”，一般机械故障往往伴随着电气故障的表征，比如当定子件与转子件接触时，一般监测到的电流值会增大。又如润滑条件恶劣导致的轴承故障，润滑工况的温度很高时，润滑液的粘度急剧下降，使得润滑液膜的承载能力下降，发展到一定程度时，楔形油膜被破坏，最终导致电机轴承摩擦副的润滑形式转变为混合摩擦或干摩擦状态，出现轴承故障。

关键词：故障诊断;频谱分析; 绝缘故障研究

引言

三相电机是一种十分关键的设备，由于其具有结构简单，价格低廉、坚固耐用，制造、使用和维修方便等优点，因此，其有着极为广泛的应用，在各个领域之中都发挥着关键的作用，然而，三相电机的使用环境十分复杂，使得在对其进行运用的过程之中，常常出现各种意想不到的故障，对正常的生产活动可能会带来十分恶劣的影响，面对这样的情况，对三相电机使用过程中出现的各种故障进行有针对性的控制，就具有十分关键的作用。

1感应电机故障诊断方法分类

（1）定子绕组匝间短路。这是一种十分常见的三相电机故障之一，这种故障所占的比值约为三分之一，出现这种故障最为常见的一个原因就是同一相绕组的线圈由于绝缘体受到破坏而出现了短路这种故障。

（2）转子导条和端环开裂。这种故障也是三相电机出现的主要故障之一，其出现的原因主要为由于三相电机在启动的时候，导条可能会在很短的时间内出现大电流，从而导致转子导条出现故障，并发生断裂的情况。另外，这种故障在严重的情况下还会导致三相电机的电机被烧坏，对整个机器都会产生十分严重的破坏。

（3）轴承故障。轴承出现故障也是一种十分普遍和常见的现象，由于轴承是三相电机的承载部分之一，在一般的情况下会出现磨损的情况，基于以上的原因，轴承出现故障也是比较常见和频繁的情况。

2异步电机时频信号振动方法

首先通过多通道数据采集仪，对振动信号进行采集一般采集加速度信号(因其信号处理过程比较简单)，然后对信号进行FFT变换(也称信号预处理)，得到频域信号，进行频谱分析，主要抽离出特征频率，与预先的模态频率进行比较分析，最终判别出故障源及故障件，然后进行故障处理决策，是修改优化故障源件或更好故障件。

3相间绝缘故障的发生部位和产生原因

相间绝缘故障是指电机绕组或绕组附属部件不同相之间发生的绝缘击穿现象。相间绝缘故障可能发生在铁芯槽内，引接线之间，接线板位置，大多发生在绕组的端部位置。1）铁芯槽内的相间故障，三相电机双层绕组，存在两相绕组线圈放置在同一槽内的情况，两相线圈通过层间绝缘进行隔离，当层间绝缘破损或移位时，将在槽内发生相间绝缘故障。2）引接线相间绝缘故障，三相电机绕组引接线，在端部绑扎位置，以及从定子内腔向外引出的过程中，存在与异相直接接触的现象，当引接线绝缘护套有破损时，较容易出现相间绝缘故障。3）绕组端部相间绝缘故障，端部是相间故障比较集中的部位。对于采用绝缘纸隔离的软绕组，相间绝缘形状、大小都直接影响绕组的相间绝缘效果，在电机绕组端部的绑扎、转序、装配过程中，会导致电机绕组受损、相对位置发生变化，相间绝缘很可能会发生不同程度的位移，相间故障在绕组耐电压的检查过程中不一定能发现，而在电机整机试验，或电机带载运行中，相间故障才表现出来。对于带绕组铁芯需进行机加工车削的定子，加工过程金属进入绕组时，发生相间故障的概率很大，严重时会导致绕组毁灭性的破坏。相间绝缘故障特征有别于匝间和对地故障，即故障部位涉及两相，两相的线圈均有受损迹象，按照相间故障程度的不同，故障表象为局部损伤，一般不会蔓延到绕组的另一端。

4三相电机绕组绝缘故障研究

匝间绝缘故障是电机绕组比较常见的电气故障之一。对于单根导线自身截面较大的情况，线圈的匝数相对较少，绕组出现匝间故障的概率相对较小；而对于单根导线截面较小的情况，线圈的匝数会很多，绕组发生匝间绝缘故障的几率就相对较大。对于多根导线并绕的情况，单圈中本束导线之间不存在匝间绝缘问题，而不同圈之间的导线则存在匝间绝缘问题。相对而言，成型线圈的匝数相对较少，软绕组线圈的匝数一般比较多，因而对于低压大功率、高压电机及特殊工况运行的电机，建议采用成型绕组。1）制造过程中产生的匝间绝缘故障，对于自带绝缘层的导线，无论是漆包线还是云母线，理论上电磁线自身的匝间绝缘可以耐受匝间电压的冲击，但在电机绕组的实际加工过程中，总有一过程中都有可能导致电磁线绝缘层受损，除生产加工对电磁线的损伤外，电磁线本身的质量性能非常关键，电磁线绝缘层附着性、绝缘层均匀程度，导体的光滑程度都直接影响到电机绕组的可靠性。而对于成型绕组，线圈拉型过程中，对电磁线绝缘层的机械强度要求较高，质量不良的电磁线，往往会因此而出现绝缘层破损问题，导致严重的匝间绝缘故障。针对该问题，设计过程中电磁线的选择，绕组加工工艺的满足程度都非常重要，应避免加工过程中对电磁线绝缘层的损害。按照绕组的加工工艺，浸漆和烘干过程中，应尽力增加绝缘漆的填充效果，为了保证浸烘效果，设备的选择、绝缘漆的性能参数、过程工艺参数及工艺执行程度，都是生产加工过程控制的重点。2）使用过程中匝间绝缘故障，生产制造过程中电磁线受损的部位，是电机运行过程中的潜在质量隐患，除此以外，绕组中与电源直接连接的首个线圈，在电机启动过程受冲击最严重，而在电机绕组嵌制过程中，该线圈往往又变形最严重，从电机匝间故障的案例分析发现，没有强化措施的电机绕组，匝间故障大多发生在首圈，对绕组首圈进行了特别的绝缘措施，可以有效降低绕组的匝间故障。

结语

总而言之，三相电机在当今的社会之中发挥着至关重要的作用，在不同的行业之中都有着极为广泛的运用，正是因为它所具有的重要地位，在对其进行使用的时候，若是出现故障，会造成诸多意想不到的损失。现如今的三相电机同以往相比较，稳定性已经实现了巨大的提升，然而由于工作环境的影响，依旧可能出现各种故障和问题，在这样的情况下，相关的人员要采取有针对性的措施，对三相电机出现的故障进行及时的维修和检测，以此来从容应对各种不利情况，从而从根本上确保电机拥有一个良好的运转环境，给生产作业提供更加坚实的保障。

参考文献

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