1.2.3 電機故障的分析方法

無論是對電機還是對其他電氣設備進行狀態監測與故障診斷，都依賴于對被診斷對象進行深入的機理分析，弄清故障產生的原因、故障引起的各種征兆、故障的發展趨勢，甚至還有必要弄清故障對被診斷對象的性能所產生的影響。

由于電機內同時存在多個相關的工作系統（如電路系統、磁路系統、機械系統、絕緣系統、通風散熱系統等），故障起因和故障征兆表現出多樣性，而對輕微故障的電機，其故障征兆又具有相當的隱蔽性，其量值小，難以發現與捕捉，這為電機故障診斷增加了困難。

在電機中，一個故障常常表現出多種征兆，例如，籠型異步電動機轉子繞組斷條或端環開裂這一故障會引起定子電流發生變化（擺動），電機振動增加，起動時間增加，轉速、轉矩產生波動等，而這些變化又受其他多種因素的影響，如電源不穩、負載波動等。另一方面，有時多種不同的故障可能會引起同一種故障征兆，如引起電機振動增大的原因很多，除轉子繞組斷條故障外，其他如定子繞組匝間短路，定子端部繞組松動，機座安裝不當，鐵心松動，轉子偏心、不對中，轉子與定子相摩擦，轉子裂紋故障，軸承損壞[14]等。在這種情況下，如果僅僅排除某一種故障，并不一定能徹底排除電機的全部故障，必須診斷出所有故障的起因，排除所有故障，系統才能恢復到正常狀態；因為多種故障可能引起相同的征兆，所以發現某一征兆并不一定能確認設備發生了什么故障。由此可見，對交流電機這種運行狀態復雜、影響因素眾多的電氣設備，如果對其結構、原理、運行特征、工作方式、負載性質不清楚，要對電機進行故障診斷是十分困難的。

電機的所有故障都是按一定的機理產生和發展的，具有一定的規律。這些規律往往必須通過對電機及其故障的深入分析、研究才能發現。只有對電機有充分的認識，對其各種故障的機理、故障本身以及故障引起的各種征兆間的關系有充分的了解，找到這種規律，再利用先進的檢測手段，有目地的采集包含故障征兆的有關參量，配合最為有效的信號處理技術，并結合其他經驗、成果，才能最終完成電機的故障診斷，對故障做出正確的判斷。因此，對電機故障的分析是故障診斷的前提。

電機的故障往往通過電機的運行表現出來，電機的故障分析一般通過其運行狀態分析進行。電機運行狀態分析主要包括穩態運行分析和暫態運行分析兩大類。分析方法主要有：理論分析、實物試驗、仿真研究等。

1. 理論分析法（解析計算法）

理論分析法是應用一定的基本物理規律，對所分析的對象（如電機或整個機組），通過研究，寫出表達其運行規律的數學方程式，然后依靠數學知識和實際運行條件對方程式進行理論計算，從而得到所需要的分析結果的研究方法。這種方法所得的結果為解析表達式，形式簡潔，能揭示分析對象的內在規律，具有普遍性，有一定的指導作用，所以國內外許多學者一直致力于尋求電機故障的解析計算方法。如文獻［15］用電機振動中齒諧波來監測異步電機轉子偏心，并通過理論分析得到電機轉子偏心所引的齒槽諧波頻率的解析表達式；文獻［16］用對稱分量法對定子繞組內部短路進行分析。但由于電機的故障關系復雜，一般來說理論分析大都比較繁鎖，有些情況很難得到準確的解析形式的解，往往進行一些近似與假設，這使得理論分析結果與實際電機故障具有較大的誤差，影響了故障診斷的準確性。

2. 試驗研究法

試驗研究法是進行電機故障分析的重要方法之一，它是在實驗室通過模擬電機（或機組）進行故障動態模擬試驗的研究方法。它主要具有三個方面的優點：第一，大型電機（機組）造價昂貴，無論從安全性、經濟性還是從方便性與可行性等方面看，大型電機（機組）都不便于進行大量的試驗，所以可以通過模擬電機（機組）進行試驗。第二，有些故障一時不能從理論上找到其規律，難以建立準確的數學模型，因此可以先進行實驗模擬，通過有關數據、現象探索故障的規律。第三，對理論分析的結論、數學模型進行驗證。

當然用試驗研究法進行電機故障的分析也有很多不足，如試驗代價較高、周期較長等。同時，由于內部短路故障電流很大，從試驗機組的安全考慮，試驗的條件要求比較苛刻，一般達不到實際電機的正常運行工況；由于電機可發性短路故障的種類很多，試驗難以模擬全部的故障［在一臺電機（機組）中人為地造成各種不同的故障有時是很困難的］，也就給尋求內部故障規律帶來了不便。雖然試驗研究法存在這些缺點，但是它可以真實地模擬影響電機故障特性分析的飽和、磁滯、渦流及阻尼等實際效應，可作為理論研究的一種有益的補充。

3. 數字仿真法

仿真研究所采用的模型主要有物理模型和數學模型兩種，對應的仿真研究也可以分為基于物理模型的物理仿真和基于數學模型的數字仿真。由于數字仿真比物理仿真靈活，且經濟、安全，因而獲得了廣泛的應用。數字仿真過程可分為4個步驟：實際系統的數學模型建立、仿真模型建立、編制和調試仿真程序、仿真結果分析和驗證。

在電機故障分析中應用較多的仿真研究方法有坐標變換法、場路耦合法和多回路分析法等幾種。

（1）坐標變換法

在電機的分析研究中，坐標變換法一直處于很重要的地位。其中對稱分量法在交流電機不對稱分析時得到廣泛的應用[17,18]，它將不對稱的三相系統分解為三組對稱的分量再進行求解。但當不對稱系統中空間諧波分量很大時，對稱分量法并不理想；雖然這種分析電機外部不對稱是很方便的，但對電機繞組不對稱問題，即使是進行穩態分析，對稱分量法也會遇到很多問題。主要仍是難以準確估計氣隙磁場引起的各電抗分量的修正及各相分量的相互關聯問題，在分析交流電機繞組不對稱問題時，對稱分量法不是理想的方法。

著名的Park方程可以使電機方程變為常系數，使方程大大簡化而便于求解，隨著許多學者對在計及諧波方面的研究，進一步豐富了坐標變換的理論。后來Park變換又被進一步推廣和發展，形成多種參考坐標系統，在電機理論的發展過程中曾起過重要作用[19,20]。但這些變換對電機內部繞組故障的分析也不理想。

（2）相坐標法

建立在相坐標系上且以相繞組為基本分析單元的相坐標法可以較好地考慮繞組產生的空間諧波磁場作用。由于其參數是實際物理值，不必經過參數的復雜變換，對各種對稱的或非對稱的正常或故障運行狀況，都容易處理并得到一致的解答。Malik等學者采用該方法深入到相繞組內部分析了同步發電機定子繞組內部故障[21]，是對相坐標法的一個發展。

在研究交流電機氣隙磁場的空間諧波問題和某些不對稱問題，以及電力系統不對稱運行的問題時，相坐標法具有越來越重要的地位。但是，對于交流電機繞組內部故障，以相繞組為基本單元的相坐標法就產生了難以克服的局限性。

（3）場路耦合法

將電機的電磁場方程與外部系統的聯系方程直接耦合聯立求解，可以較好地考慮電機的幾何結構、分布參數、鐵磁材料的飽和等因素，可以深入電機內部各點的狀態，可以用于對電機進行暫態、穩態分析[22,23]。但電磁場的計算相當復雜，分析電機內部繞組故障不是很方便。

（4）多回路分析法

對于電機繞組內部的不對稱，如電機定子繞組短路、籠型異步電動機轉子斷條和端環開裂等，以對稱相繞組為基本分析單元的分析方法已不能滿足研究要求。為深入研究交流電機內部繞組不對稱問題，有必要突破傳統的理想電機模型的限制。

以單個線圈為分析單元的交流電機多回路理論是由我國學者高景德、王祥珩首次提出的[24]，在電機分析中具有重大意義，為電機分析做出了杰出的貢獻[1,24-27]。它突破了傳統故障分析中理想電機的假設，將分析深入到定子繞組內部，直接以單個線圈為研究單元，并根據研究問題的需要，組成相應的回路。分析時，將電機看作具有多個相對運動的回路網絡，定轉子繞組按其實際回路列寫電壓和磁鏈方程。在處理發電機定子繞組內部故障時，多回路理論可以考慮繞組內部故障時影響較大的因素（如故障空間位置和繞組形式等），從而可以較為準確地獲得繞組故障后的內部電磁關系和繞組電流分布，多回路分析法在電機定子內部故障的穩態及瞬態過程分析中皆有了較好的應用。

30多年來，多回路分析法在異步電動機轉子斷條故障、繞組非對稱分布的單相電容電機、同步電機帶整流負載、特殊勵磁的同步發電機系統以及變頻驅動系統的分析中也得到了廣泛的應用[28-30]。