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MCA测试技术

MCA测试技术在电机与变压器故障诊断的应用

张恩广

（北京西马力检测仪器公司.北京100043）

摘要论述电机电路分析（MCA）技术的核心思想。

重点介绍了MCA技术的发展，测试的核心方法，及对于各种电机、变压器故障的诊断应用。

关键词MCA技术、阻抗测试、倍频测试、匝间短路评判值

1引言

据调查，在美国本土有1.2亿台以上的电机正在被使用，电机占所消耗全部能源的20%以上，大于25马力的电机约占1.5%，但却使用着60%以上的电能。

电机及其驱动技术，是我们今天所使用的产品和技术中不可或缺的一部份。

美国电力研究协会（EPRI）对电机故障的研究表明，电机故障的53%与机械部份有关，47%来源于电气故障（这一统计不包括新电机和修理后电机的本身缺陷）。

机械故障一直是采用传统的振动分析法和红外检测法来检测，而电气故障则使用毫欧测试，绝缘测试、高压测试、浪涌比较测试、局部放电测试法。

机械故障分析和预知维修技术始终保持着前进的趋势，而电气检测则一直是研究的热点。

长期以来，许多设备维护部门、技术人员和工程师依靠绝缘电阻和直流电阻测试法来检测电机故障，而很少执行电气故障预知维修程序（PdM），直到九十年代后期，伴随MCA技术的发展应用，预知维修才真正得以实现。

2电机故障诊断的多种方法

电机的测试方法分为三大类：

动态电气测试（DET）：

是指带电设备的电气评估；

动态机械测试（DMT）：

指带电设备的机械评估；

静态电气测试（SET）：

指不带电设备的电气评估。

2.1动态（在线）电气测试

动态电气测试包括电压计、安培计、功率计及数据采集器等常规测试仪表。

主要测试电压不平衡或做电压降测试，检测转子条故障，测试系统功率及功率因数。

此外，还包括一些分析仪器，如电源质量分析仪，用于检测电源质量；动态效率仪，用来精密估算电机效率曲线；动态电机电路分析，也称之为电机电流特征分析法（MCSA），用于对带电设备进行分析，重点是转子条测试、电源质量、效率等一些基本电气故障。

2.2动态机械测试

动态机械测试主要是采用红外分析法与振动分析法，需要大量的实践经验。

分析人员可用振动测试仪或FFT分析仪来解决设备故障，检测连接问题、不对中问题、负载问题，并可用来提示转子条、绕组或气隙是否存在问题。

2.3静态（离线）电气测试

常规静态电气测试包括欧姆表、毫欧表、高压绝缘测试仪、LCR测试仪（电阻、电容、电感）、浪涌比较测试。

这些检测方法所带来的问题是：

某些大电机绕组非常低，以至于所用的欧姆表无法足够精确地检测故障，同时，如果存在高阻故障（高于简单绕组电路）还会漏检；许多时候，电机虽然出现故障，而电阻却仍然保持平衡。

最新静态电机电路分析仪（MCA）是一种基于阻抗分析检测的仪器，用于查找绕组故障（匝间、绕组及相间短路等），绝缘电阻故障及转子故障（转子偏心，气隙、转子断条或铸造缺陷）。

一台真正的MCA设备，产生的是真正弦波输出信号，能提供足够的数据来分析断电设备的电路。

静态MCA测试设备可排除故障、分析或评估设备，可广泛用于设备安装前、故障后或干脆作为维护程序的一部分。

许多制造厂家认为，离线测试执行太过困难，因为现场常常要求设备不能停机工作。

但是正如PacificGas&Electric组织“电机性能测试工具验证项目”中以及工业实践中所见，这种想法是完全错误的。

设备通常由于一般性的维护或计划性停机等各种原因而断电，即使可能根本不能关机，但每季度要停机进行一次绝缘电阻测试。

因此，事实上在线与离线之争只是如何理解的问题。

3电机电路分析（MCA）核心理论

3.1基本电机电路——阻抗测试

基本电机电路由一系列电阻、阻抗、互感及自感、互容及内部泄漏（电容）组成。

电机电路的阻抗（电感）直接受到如下影响，包括：

⏹转子绕组的位置：

与定子绕组及定子绕组采用的设计类型有关；

⏹转子绕组的质量：

铸造转子中的铸造缺陷、转子条连接点高阻、转子偏心（气隙）、转子断条、转子层叠质量差；

⏹定子绕组的类型：

叠绕型或同心绕组式定子；

⏹匝间互感和自感：

即是否存在匝间短路。

富有成效的阻抗测试是电机运行状态的真实反映，交流电机三相平衡是三相阻抗的平衡，而非直流电阻。

同时阻抗测试结果也反映了转子的故障。

直流电阻仅反映接头松动、断股等，显得意义不大。

3.2电流频率响应值——倍频测试

阻抗及电感将根据转子位置或故障与否而产生变化，因此必须采用专门的方法来确定定子本身的缺陷，从而区分于转子故障。

这可以通过施加一个应用频率，设置一个电流基准值完成。

接着将频率加倍（“倍频测试”）并观察每相的电流变化比值。

这一结果是对匝间状态的准确考察。

因为绕组阻抗的主要成分是电感，倍频电流通常是减少15～50%。

我们定义这一变化量为“I/F”，即匝间短路评判值。

匝间短路的发展过程，就是绕组由接近纯电感电路，向纯电阻电路发展的过程，因此就是I/F值由-50%向-0%发展的过程（负号代表减少）。

交流电机的三相I/F值的比较，很容易发现早期微小的匝间短路。

例如三相测试结果分别为：

-48%、-48%、-47%，说明最后一相有较轻微的匝间短路；而-48%、-47%、-43%的结果则意味着严重的短路可能发生在相间。

4MCA技术的应用

4.1电机的故障分类

电机定子绕组可能有4种基本的故障类型：

匝间短路，在同一绕组匝间产生的故障；线圈间短路，在同一相的线圈产生的故障；相间短路，不同相线圈之间产生的故障；接地故障，在线圈与地或相地之间出现的故障。

转子故障有三种基本类型：

转子断条，由于启动次数过于频繁、过热、转子拖动或其它问题引起；铸造缺陷，存在于铸造转子中；气隙问题，气隙偏心引起旋转设备的振动，影响电机设备零部件的可靠性。

4.2MCA测试的评估

MCA技术利用电阻、电感、阻抗、倍频测试值I/F、阻抗角（相角）、及绝缘值，全面评估电机的整体性能：

⏹电阻：

相间电阻不平衡不应超过5%。

如果存在不平衡，但I/F和相角平衡，可能表示接头松动。

如果I/F及相角不平衡，则存在着严重的绕组或导线故障。

⏹阻抗及电感：

反映定子绕组与转子故障。

直接指示定子三相平衡与否。

但当Z、L不平衡而R、I/F平衡，说明转子故障（由于互感作用）。

⏹相角和I/F值：

指示绕组短路（匝间、层间和相间）的基本标志。

各相间相角读数差异应在1度以内（例如：

74、75、76良；74、76、76坏），I/F读数应在-15%到-50%范围内（频率加倍时电流缩减），相间差异为2%以内（例如：

-44、-45、-46是良；-44、-47、47是坏）。

如果检测到较小偏差，则是早期匝间故障的迹象。

⏹转子测试：

通过一定次数的改变转子的位置，读取一系列电感或阻抗值，衡定不变，则转子状况是可接受的，反之则说明转子的缺陷。

4.3MCA测试的标准

4.3.1IEEE电机的评判

电机三相平衡评判标准（偏差）

测试项目

良好

缺陷

故障

电感L

10%

15%

阻抗Z

I/F

相角Fi

4.3.2IEEE变压器的评判

⏹电阻R：

0.250Ω以上时，三相偏差不应超过5%；低于0.250Ω时，不应超过7.5%

⏹阻抗Z：

不应超过5%。

故障的变压器不平衡可能会超过100%

⏹电感L：

不应超过5%

⏹相角Fi：

相互差异在1度以内

⏹I/F：

相互差异不应超过2

4.4MCA在维护程序中的地位

传统PdM实践经验一般集中在机械部分，因为机械故障一般均为长期故障。

而对于电气部分，在故障发生之前则很少可见到警示信息。

故障发生率也取决于大量因素，包括：

匝间短路量、启动次数、负载情况、绝缘结构类型、污染及工作环境、电源质量、瞬时特性等等。

电机电路分析为检测电机系统电气故障提供了一种全新的方法。

故障的发生发展可能非常快，或者慢到几个月。

例如：

一台5HP电机，有异物卡入一个绕组的相邻两匝之间（后来发现，该异物是由于突发性故障产生的轴承零件），电机迅速短路，并在1分钟时间内接地。

在另外一例中：

一台400HP压缩机电机，存在相间短路故障，引起33%阻抗不平衡，但却仍然“有害运行”了三个月之久，因为该电机是软启动，所以启动时没有出现故障。

MCA可以成为颇具实用价值的PdM工具。

4.5MCA测试的频率

表1：

MCA-PdM频率

电机类型

清洁/干燥环境

中等环境

脏/湿环境

3相，非重要

12个月

9个月

6个月

3相一般产品

6个月

3个月

3相，重要

3个月

2个月

11个月

DC电机

6个月

3个月

变压器

12个月

9个月

6个月

一旦检测出故障以后，测试的频率就应增加。

或者如果电机非常重要，则电机应当尽快送去维修。

4.6MCA对能源的影响

根据EPRI的研究表明，“机械设备的效率可通过适当的维护手段普遍提高10～15%”。

这些维护工作包括：

预防性、预知性、事前及定期检修维护工作。

尤其是，“通过持之以恒地实施，MCA将有助于避免电机故障，使事前维修或更换成为可能，在总体上提高电机系统的能源效率”。

单从能源费用本身，并不能就证明电机维护程序的价值。

但是，结合生产率及伴随的可靠性成本，MCA程序立刻就显出价值所在。

试举例说明：

一条占企业总产量10%的生产线上的一台100hp主驱动电机，每年工作6,000小时。

如果企业全部停产时，费用为每小时$25,000。

在突发性故障停机事件中，需6小时更换电机，2小时启动。

所增加的总费用，不计算产生的废品成本，将达到$24,875每年。

这笔费用中3.1%是由于能源耗费的增加，1.2是由于电机寿命的缩短，2.1%是由于所需费用的增加，而占绝大部分（93.6%）是由于产量的减少，即停机损失。

4.7MCA典型测试仪

80年代中期，BJM公司为检测自已的潜水泵对电机绕组进行了一次简单的模拟电子测试。

这就是早期的ALL-TESTⅡ?

。

1993年，数字显示版的ALL-TESTⅢ?

代替了旧式的模拟版仪器。

到1996年，开发出一套数据采集和分析版的ALL-TESTⅣPRO?

，1999年11月，EMCAT专家诊断系统软件问世。

2004年3月，新的ALL-TEST-31取代了ALL-TESTⅢ。

ALL-TEST电机检测仪已广泛应用于世界各地，并从1996年起至今进入数百家中国企业。

5MCA测试实例（应用ALL-TEST）

5.1AC拖动电机——完好

下列测试结果是来自一台修复后的拖动电机，所有读数都非常平衡，代表一台良好电机：

T1-T2

T1-T3

T2-T3

电阻

0.037

阻抗

4.23

4.24

电感

0.84

相角

I/F

-45

绝缘

>99M

5.2新电机相不平衡

一台50hp，3000RPM星型连接电机，安装在发电机冷却泵上。

投入使用后，将有11%（P-P）电流不平衡，少于0.5%（P-P）电压不平衡。

电机产生频率为100Hz的振动（电气）并且工作温度超出规定范围，尽管峰值电流在额定满负荷值以下。

T1-T2

T1-T3

T2-T3

电阻

0.163

0.175

0.168

阻抗

电感

相角

I/F

-44

-45

绝缘

>99M

不平衡非常显着。

进一步调查后，制造者发现在特定位置上的同心绕组的加工过程有所改变。

为解决问题，制造者决定改变生产工艺，最终实现三相准确平衡。

5.3有噪声的变压器

发现一系列150KVA、12.4kV到208/230V干式变压器运行一段时间后噪声过大，工作人员不得不戴上听力保护装置。

与制造者联系，却只是噪声级被划为“正常声级”。

评估的第一步是用肉眼对绕组状况全面观察。

立刻就发现变压器的中心线圈明显松散。

MCA测试结果表明，初级有轻微的匝间故障，更象是由于振动所引起的。

用肉眼发现外部初级线圈上有小黑点存在，进一步证实了判断。

T1-T2

T1-T3

T2-T3

电阻

0.143

0.153

0.145

阻抗

电感

相角

I/F

-48

-46

绝缘

5.4无刷DC伺服电机——线圈之间短路

下面是对无刷DC伺服电机在试验台上进行线圈短路测试结果：

T1-T2

T1-T3

T2-T3

电阻

2.239

1.554

1.367

阻抗

101

电感

相角

I/F

-47

-46

绝缘

>99M

注意：

电阻有轻微变化，阻抗、电感显着变化，相角变化5%以上、I/F基本平衡。

相角与I/F相比较，指出存在一个线圈间故障。

5.5转子条有裂纹的300hp电机

下列数据采自组装电机300HP、2300V、3600RPM

T1-T2

T1-T3

T2-T3

电阻

0.023

0.024

0.021

阻抗

电感

相角

I/F

-47

-46

绝缘

>99M

电感与阻抗测试的读数偏离，而匝间短路评判值I/F与相角Fi的偏差很小，说明定子尚好，问题可能在转子。

经查，铜合金转子条中检测到转子条有裂纹，导致局部高阻。

（完）

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