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润电能源科技公司等单位马建胜、赵建利等：一起火电厂循环水泵电动机电流波动案例分析

文摘 2024-12-19 07:02 北京

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高压异步电动机常见的故障有转子断条裂纹及偏心，故障时定子电流表现出持续波动的特征。润电能源科学技术有限公司、华润电力焦作有限公司的马建胜、赵建利、赵予新、刘芳芳在2024年第8期《电气技术》上撰文，对某600MW级火电厂2B循环水泵电动机电流进行时域及频域计算与分析，确认电动机转子存在断条裂纹缺陷，并利用广义解调法对电动机电流特征分析（MCSA）结果进行验证；利用转子存在缺陷或故障时定子电流波动的特征，建立基于分布式控制系统（DCS）运行数据的异步电动机电流波动预警算法，并利用该故障电动机的历史电流数据进行验证，结果表明电动机转子断条的持续劣化能够有效地触发预警。

高压异步电动机广泛应用于火力发电厂生产过程，具有非常重要的作用，直接影响发电机组的安全、稳定及经济运行。由于运行环境恶劣、负载持续变化、缺乏维护等因素，高压异步电动机会出现定子、转子及负载故障，其中转子导条断裂故障的出现频率最高，是电动机常见故障之一。

目前，电动机电流特征分析（motor current signature analysis, MCSA）通过对电动机电流的波形、幅值及频谱进行计算与分析，可有效实现对异步电动机转子、定子、气隙等部位故障的诊断。

某600MW级火电厂2B循环水泵电动机电流自2023年3月以来出现周期性波动，分布式控制系统（distributed control system, DCS）显示波动值约为20A，利用数据采集仪采集三相电流，通过MCSA推断其原因为转子存在断条或裂纹缺陷，引起转子磁场不对称，从而在定子电流中感应出频率为(1-2s) f₁（s为转差率， f₁为定子电流基波频率）的电流分量，造成DCS电流采样波动。本文针对电动机DCS电流的波动特征进行研究，建立电动机电流波动预警算法，并利用DCS历史数据，对算法的有效性进行验证。

1 异步电动机转子常见故障谐波特征

异步电动机定子电流的主要成分是工频电流，由于转子开槽的影响，定子电流中还存在少量齿谐波。异步电动机转子常见故障有断条或裂纹及偏心，不同故障会在定子电流中产生不同的谐波分量。

1.1 转子断条或裂纹

当转子回路出现断条或开焊时，转子成为一个非对称的多回路系统如图1。

图1

1.2 气隙偏心

气隙偏心分为静态偏心与动态偏心，当气隙存在偏心时，气隙磁导沿圆周方向出现不均匀现象，从而在定子电流中感应出谐波分量，其谐波分量频率为

式1

1.3 定子电流调制与解调

当电动机发生转子断条故障时为式2

式2

2 故障诊断分析

该2B循环水泵电动机采用立式布置，通过改变接线形式可实现高低速切换，其主要技术参数见表1。电厂出于节能考虑，采用低速方式运行。

表1 循环水泵电动机主要技术参数

2.1 DCS历史趋势

图2 1B及2B循环水泵电流曲线

2.2 时域数据采集

图3 2B循环水泵电流信号采集接线

使用FFT对所采集的电流及电压时域信号进行频谱分析。电动机电流FFT结果如图4所示，母线电压FFT结果如图5所示。比较电流与电压的频谱可以看出，电压以基波为主，在通过频率边带上无谐波分量，可以排除系统电压对电流的波动影响。

图4 电动机电流FFT结果

图5 母线电压FFT结果

2.3 转子断条故障诊断

表2 转子断条故障FFT计算结果

2.4 电流信号广义检波解调

利用广义检波解调方法对电动机定子电流进行解调，解调后电流有效值曲线如图6所示。

图6 解调后电流有效值曲线

图7 电流有效值FFT结果

2.5 偏心故障诊断

采用式（1）计算复合偏心在基波周围引起的边频，计算结果见表3。偏心故障电流上、下边频图分别如图8、图9所示。根据计算结果分析，偏心引起的电流谐波分量特征值较小，可判定该循环水泵电动机不存在偏心问题。

表3 偏心故障边频计算结果

图8 偏心故障电流上边频图

图9 偏心故障电流下边频图

3 故障处理建议

造成循环水泵电动机转子断条故障的因素有很多，但主要原因为电磁共振和全电压下的频繁起停。由于机组处于运行状态并考虑维修成本，结合上述诊断结果，在解体维修前需采取以下措施：

1）加强对电动机本体振动情况的监测，密切关注振动增长趋势。

2）避免对2B循环水泵进行频繁起停操作，以免转子断裂处因受力导致劣化。

3）尽早在机组停机检修时对2B循环水泵电动机进行解体处理。

4 解体处理情况

机组运行至9月份，利用机组小修机会，对2B循环水泵电动机进行现场解体检查，转子条共存在6处断裂，如图10所示，转子条持续断裂情况如图11所示。

对2B循环水泵转子条断裂部位重新进行焊接修复与清理，同时对转子条根部进行加强并增加限位条，修复完成且试验合格后重新投入运行，电流波动现象消失。

图10 转子条整体断裂情况

图11 转子条持续断裂情况

5 基于DCS采样数据的循环水泵电动机电流波动预警算法

现场DCS采样电动机电流仅进行显示及阈值报警，无法实现对电动机故障的提前预警。

式3-4

图12 异步电动机电流波动预警流程

在DCS中分别导出2B循环水泵1月份及4月份的历史数据对上述预警算法进行验证，验证结果分别如图13和图14所示。

由图12和图14可以看出，从1月至4月随着2B循环水泵电动机转子条裂纹的劣化，其电流波动幅度加剧，预警输出愈加频繁。

图13 2023年1月份历史数据验证结果

图14 2023年4月份历史数据验证结果

6 结论

1）当异步电动机定子电流出现波动时，应引起注意，除加强监测外，还应进行振动监测，必要时通过电流频谱分析，对电动机进行故障诊断，尽早发现缺陷。

2）在利用频谱法对电动机进行综合诊断时，还应对电压进行频谱分析，避免背景电压谐波对电流频谱分析造成影响。

3）当前业内缺少对电动机利用频谱法进行诊断的导则，当电动机具有复合故障或其他机械故障时，过度依赖经验。

4）鉴于DCS逻辑组态的局限性，无法在DCS建立复杂的故障模型且使用正常的运行电流数据对其进行训练，但可采用电流波动值计算及累计的逻辑算法，通过选取合适的参数提前对异步电动机异常进行预警，从而避免电动机长期异常工作。

润电能源科技公司等单位马建胜、赵建利 等：一起火电厂循环水泵电动机电流波动案例分析

本工作成果发表在2024年第8期《电气技术》，论文标题为“ 一起火电厂循环水泵电动机电流波动案例分析 ”，作者为马建胜、赵建利、赵予新、刘芳芳。

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