高压电机故障检测技术
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5. 可对检测波形任何部位进行局部放大显示，建立理想的检测波形档案， 便于用户进行电动机内部早期故障发展状况的比较和监视。
五. 主要早期故障检测原理简述
1. 电动机起动过程中转子断条故障的检测
f r (1 2s) f1
i/A
5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
提出了采用锁相环中断采样方式、稳态电流信号搜索、增加采样数据长度以及把对定 子电压信号的同时性监测引入到异步电机转子故障检测的工作中来等有效的改进措施。 分析表明，这些改进方法能够大大提高转子故障检测的准确性；
10
9
8
7
6
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4
3
2
1
0
10
15
20
25
30
35
vi
A/D转换器
CPU
整形 电路
锁相环频率跟踪器
0 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
t /s
(b)
图 3-9 空载下无断条故障的定子起动电流及其小波脊线
i/A
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t /s
(a)
Ridge
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
0 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
r1
x1
U1
Ur1
Ux1
E1
异步电机的定子等值电路
Ia
1 2 0
120
1 2 0
Ic
Ib
理想情形下的三相电流矢量图
I U1 E1
r1 jx1
U mU Z mZ
I mI
124 122 120 118 116
0 124 122 120 118 116
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
t/s
电动机起动过程中的定子电流波形
图3-4 随转差率变化的曲线 曲线1： 高阻接头； 曲线2： 导条断裂
图 3-5 球 磨 机 电 动 机 的 时 变 频 谱 图
仿真的线调频信号及其小波脊线
0.8 0.4 0 -0 .4 -0 .8
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
(a)
(b)
图 3-12 有噪声干扰时的定子起动电流（一根断条）及其小波脊线
1
0 .9
0 .8
0 .7
0 .6
i/A
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
100 200 300 400 500 600 700 800
t/s
2. 稳态运行下转子断条故障的检测
转子故障诊断误判率高的原因： （1）故障信号幅度小且易受工频泄漏影响是最根本的原因； （2）定时器采样方式； （3）采样数据不够长； （4）定子电流的频率及幅值的波动； （5）定子电压因素等也是引起误判率高的重要原因。
4. 使用方便。本仪器仅通过对定子电流的波形及其频谱分析（即时频分 析），就可完成包括轴承异常振动故障在内的早期故障的检测工作。其他 同类仪器在检测轴承异常振动故障时必须使振动传感器，而我们知道，要 将振动传感器安装到正在高速旋转的电动机上，是不太现实的，也是十分 危险的。因此，其实时在线检测的功能就大打折扣。另外值得一提的是， 本仪器在检测中无需用户提供被测电动机的铭牌等技术参数，因此，该仪 器使用非常方便；
高压电机早期故障检测技术介绍
张征平 2006年12月26日
从以下几个方面作一个简要的介绍：
1． 为什么要开展早期故障检测技术的研究?
2． 该项技术能起到什么样的作用?
3． 国内外的研究现状如何?
4.
该项技术有哪些的特点？
5. 主要早期故障检测原理简述
6.
主要的技术创新点
7.
故障检测实例
MWDI型异步电动机早期故障小波智能诊断系统实况图
美国和英国的一些大学都在这一领域内开展了深入的研究工作，许多大 学甚至都将其作为博士课题来研究。
（2）主要的研究方法 信号处理方法：Fourier变换、短时Fourier变换、Park；
（3）存在的不足 具有较好的在线检测可行性的方法较少；
早期故障检测的准确度仍有待提高；
可以相信，该项技术的推广应用，将为保障高压 电机的安全、可靠、经济运行，作出重大贡献。
（注：2003年1月该项技术通过了广东省科技厅组 织的科技成果鉴定，获得了较高的评价，鉴定委员会 认为，该成果达到了国际领先水平！并获得原广电集 团一等奖，国家电力公司的中国电力科学技术奖三等 奖。）
值得指出的是，该系统在进行异步电动机早期故 障检测时，完全是一种带电或在线的检测方法。检测 时无需更改被测对象工作系统的任何接线方式，也不 会对正在运行的电动机的正常工作造成任何影响。它 只需采用钳形电流互感器，通过监测、分析电动机的 定子电流信号，即可完成各种早期故障的检测工作。 检测工作既可在电动机的运行现场进行，也可在远离 运行现场的开关室或集控室内进行。并且在分析过程 中，也无需用户提供被测对象的铭牌等各种参数，因 此，使用十分方便。另外，由于该系统具有较高的通 讯速度及强大的故障分析能力，因此，故障检测速度 快，通常仅使用一台该仪器即可完成对全厂所有电动 机的早期故障的检测。
三．国内外的研究现状如何？
（1）国内外的研究状况
国内从事该研究的主要有清华大学、华北电力大学、华南理工大学，湖 南省电力试验研究所以及广东省电力试验研究所等少数几个单位；
从国际方面的研究情况来看，关于异步电机早期故障的检测正在形成一 种研究热潮，代表人物主要有美国的Nandi S，Kliman B英国的Penman J，Thomson W T，澳大利亚的Kral C等；
0.14
0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0
(a)
500
1000
1500
2000
2500
(b)
图 3-7 线调频信号及其小波脊线
i/A
5
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-5 0
0 .2
0 .4
0 .6
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1
t/s
(a)
Ridge
0.02 0.015 0.01 0.005
(a)
(b)
图 3-11 满负荷下（有一根断条故障）的定子起动电流及其小波脊线
i/A Ridge
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0 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
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0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
-0.1 0
1000
2000
3000
4000
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6000
7000
8000
图4-1（d） 实际电动机定子电流与仿真脉冲（幅值为工频电流幅值的5%） 叠加后的小波包检测结果
六. 主要的技术创新点
1. 提出了基于小波脊线的异步电动机起动过程转子断条故障检 测方法；
500
1000
1500
2000
2500
3000
4. 轴承故障的检测
1.5 1
0.5 0
-0.5 -1
-1.5
500
1000
1500
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2500
3000
3500
4000
图4-1（a） 含有高频短时信号的工频仿真电流信号
0.01 0.008 0.006 0.004 0.002
0 -0.002 -0.004 -0.006 -0.008
-0.01 0
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图4-1（b） 用小波包方法检测到仿真电流信号中存在的间歇性高频振动信号
-4
x 10 3
2
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-3 700
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860
880
图4-1（c） 局部放大后的间歇性高频振动信号
0.06 0.04 0.02
4. 还可以被电动机生产制造厂用来对将要出厂的电动 机产品进行内部故障隐患检查，提高产品的质量。
该项技术的应用, 可以大大提高大中型鼠笼式异步 电动机运行的可靠性，有效地降低电动机的故障率， 减少因异步电动机故障所造成的各种直接或间接的经 济损失，使电动机的运行、维护和管理提高到一个新 的水平！因此，该项技术不仅具有较大的工程应用价 值，也具有较大的社会效益和经济效益。
二. 该项技术能起到什么样的作用?
（一）功能 1. 起动过程中的转子断条故障； 2. 稳态运行时的转子断条故障； 3. 稳态运行时的气隙偏心故障； 4. 轴承的异常振动故障； 5. 定子绕组的匝间短路故障； 由于采用了先进的数学分析方法和采样技术，因此，与传统方法相比， 电动机早期故障检测的准确度得到了很大的提高。
v0
÷N
频率波动引起的频谱泄漏
图 4-3 锁相环频率跟踪采样电路
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250
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20 40
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80 100
(a)
350 300 250 200 150 100 50
0 0
(b)
20 40 60 80 100
图 4-6 (a) 定时采样获得的信号的频谱 (b) 频率跟踪采样获得的信号的频谱
MWDI型异步电动机早期故障小波智能诊断系统数据通讯界面
MWDI型异步电动机早期故障小波智能诊断系统故障分析界面
一．为什么要开展早期故障检测技术的研究?
（1） 电动机主要的早期故障类型简介
转子笼条断裂（简称断条）； 定子绕组的匝间短路； 轴承异常振动； 气隙偏心。
（2） 目的和意义
电动机计划检修和事后检修的不足之处； 电动机故障的多发性及其所造成的损失； 异步电机发生早期故障后的特点； 异步电机突发故障的危害；
2. 早期故障检测功能比较齐全。同类仪器通常只进行断条故障和振动故障 的检测，并且一般局限于电动机稳态运行时才能进行，而本仪器可以进行 起动过程中的转子断条、稳态过程中的转子断条、气隙偏心、轴承异常振 动以及定子绕组匝间短路等多种故障的检测；
3. 真正的在线检测方法。检测过程中无需拆卸任何接线，不影响运行中的 电动机的正常工作。检测工作可以在电动机运行现场进行，也可以在远离 运行现场的开关室或集控室内进行；
（二） 贡献
1. 进行早期故障检测，有利于减少电动机检修的盲目性，有利 于实现计划检修或事故检修向状态检修的转变；
2. 建立各台电动机的电压、电流及振动的检测波形原始档案， 便于异步电动机运行的维护与监视；
3. 当电动机的工作状态出现异常时,还可以被用来判断电动机 内部是否出现有故障，帮助电厂运行人员迅速解决问题。
2. 提出了基于锁相环（PLL）的自动频率跟踪采样的改进措施， 并把对电压的同时性也引入到早期故障分析中来，从而可以 获得十分清晰的故障特征频谱，大大降低了诊断结果的误判 率；
F (f)
300
250
(1-2s)f1
200
150
100
(1-4s)f1
50
(1+2s)f1
(1+4s)f1
0
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40
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60
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f / Hz
图 4-4 采用改进采样措施后的定子电流频谱
定子绕组中的匝间短路故障是大中型异步电动机最主要 的早期电气故障之一。匝间短路故障对电动机运行状态所造 成的影响的严重程度，与绕组中发生短路的匝数有关。在匝 间短路故障的早期，当被短路的匝数较少时，故障特征不明 显，对电动机运行状态的影响较小，电动机仍然可以运行一 段时间。这种早期性质的匝间短路故障，是各种继电保护的 盲区。目前，还没有任何针对异步电机匝间短路故障的保护 措施。当匝间故障发展到一定阶段后，终将导致相间短路或 单相接地故障。尽管继电保护装置此时产生保护动作，但电 动机已经损坏，企业生产可能已经意外中断，仍然可能造成 较大的经济损失。这种早期性质的匝间短路故障，在定子绕 组的故障中，具有相当的普遍性。因此，将这种故障及时地 检测出来，就显得特别有意义。
t/s
(b)
图 3-10 空载下有一根断条时的定子起动电流及其小波脊线
i /A Ridge
5 4
3
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-2
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0 0.2
0.4 0.6 0.8
1
t/s
0. 05 0. 04 0. 03 0. 02 0. 01
0 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
t/s
对故障检测结果的定量化描述还很欠缺；
四. 该项技术有哪些的特点？
1. 检测的准确度很高；
沙A两台一次风机； 珠江电厂的循环水泵； 广州电厂的两台循环水泵； 空军某地对空导弹部队的电动机；
2.多用途性 故障检测； 技术档案； 故障录波；
(3) 本项目与其他同类仪器的主要区别
1. 应用了小波分析这一先进的数学工具以及改进的采样技术。小波分析方 法使得该仪器不仅可以分析电动机电流信号的频率特征，还可以提取信号 的时域特征；而改进的采样技术则使得我们获得了理想的频谱图，大大提 高了故障检测的准确度。这是本仪器与同类用途仪器的最大区别；
五. 主要早期故障检测原理简述
1. 电动机起动过程中转子断条故障的检测
f r (1 2s) f1
i/A
5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
提出了采用锁相环中断采样方式、稳态电流信号搜索、增加采样数据长度以及把对定 子电压信号的同时性监测引入到异步电机转子故障检测的工作中来等有效的改进措施。 分析表明，这些改进方法能够大大提高转子故障检测的准确性；
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vi
A/D转换器
CPU
整形 电路
锁相环频率跟踪器
0 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
t /s
(b)
图 3-9 空载下无断条故障的定子起动电流及其小波脊线
i/A
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Ridge
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
0 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
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异步电机的定子等值电路
Ia
1 2 0
120
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Ic
Ib
理想情形下的三相电流矢量图
I U1 E1
r1 jx1
U mU Z mZ
I mI
124 122 120 118 116
0 124 122 120 118 116
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1000
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t/s
电动机起动过程中的定子电流波形
图3-4 随转差率变化的曲线 曲线1： 高阻接头； 曲线2： 导条断裂
图 3-5 球 磨 机 电 动 机 的 时 变 频 谱 图
仿真的线调频信号及其小波脊线
0.8 0.4 0 -0 .4 -0 .8
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
(a)
(b)
图 3-12 有噪声干扰时的定子起动电流（一根断条）及其小波脊线
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i/A
0 .5
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2. 稳态运行下转子断条故障的检测
转子故障诊断误判率高的原因： （1）故障信号幅度小且易受工频泄漏影响是最根本的原因； （2）定时器采样方式； （3）采样数据不够长； （4）定子电流的频率及幅值的波动； （5）定子电压因素等也是引起误判率高的重要原因。
4. 使用方便。本仪器仅通过对定子电流的波形及其频谱分析（即时频分 析），就可完成包括轴承异常振动故障在内的早期故障的检测工作。其他 同类仪器在检测轴承异常振动故障时必须使振动传感器，而我们知道，要 将振动传感器安装到正在高速旋转的电动机上，是不太现实的，也是十分 危险的。因此，其实时在线检测的功能就大打折扣。另外值得一提的是， 本仪器在检测中无需用户提供被测电动机的铭牌等技术参数，因此，该仪 器使用非常方便；
高压电机早期故障检测技术介绍
张征平 2006年12月26日
从以下几个方面作一个简要的介绍：
1． 为什么要开展早期故障检测技术的研究?
2． 该项技术能起到什么样的作用?
3． 国内外的研究现状如何?
4.
该项技术有哪些的特点？
5. 主要早期故障检测原理简述
6.
主要的技术创新点
7.
故障检测实例
MWDI型异步电动机早期故障小波智能诊断系统实况图
美国和英国的一些大学都在这一领域内开展了深入的研究工作，许多大 学甚至都将其作为博士课题来研究。
（2）主要的研究方法 信号处理方法：Fourier变换、短时Fourier变换、Park；
（3）存在的不足 具有较好的在线检测可行性的方法较少；
早期故障检测的准确度仍有待提高；
可以相信，该项技术的推广应用，将为保障高压 电机的安全、可靠、经济运行，作出重大贡献。
（注：2003年1月该项技术通过了广东省科技厅组 织的科技成果鉴定，获得了较高的评价，鉴定委员会 认为，该成果达到了国际领先水平！并获得原广电集 团一等奖，国家电力公司的中国电力科学技术奖三等 奖。）
值得指出的是，该系统在进行异步电动机早期故 障检测时，完全是一种带电或在线的检测方法。检测 时无需更改被测对象工作系统的任何接线方式，也不 会对正在运行的电动机的正常工作造成任何影响。它 只需采用钳形电流互感器，通过监测、分析电动机的 定子电流信号，即可完成各种早期故障的检测工作。 检测工作既可在电动机的运行现场进行，也可在远离 运行现场的开关室或集控室内进行。并且在分析过程 中，也无需用户提供被测对象的铭牌等各种参数，因 此，使用十分方便。另外，由于该系统具有较高的通 讯速度及强大的故障分析能力，因此，故障检测速度 快，通常仅使用一台该仪器即可完成对全厂所有电动 机的早期故障的检测。
三．国内外的研究现状如何？
（1）国内外的研究状况
国内从事该研究的主要有清华大学、华北电力大学、华南理工大学，湖 南省电力试验研究所以及广东省电力试验研究所等少数几个单位；
从国际方面的研究情况来看，关于异步电机早期故障的检测正在形成一 种研究热潮，代表人物主要有美国的Nandi S，Kliman B英国的Penman J，Thomson W T，澳大利亚的Kral C等；
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0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
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图 3-7 线调频信号及其小波脊线
i/A
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0.02 0.015 0.01 0.005
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图 3-11 满负荷下（有一根断条故障）的定子起动电流及其小波脊线
i/A Ridge
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图4-1（d） 实际电动机定子电流与仿真脉冲（幅值为工频电流幅值的5%） 叠加后的小波包检测结果
六. 主要的技术创新点
1. 提出了基于小波脊线的异步电动机起动过程转子断条故障检 测方法；
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4. 轴承故障的检测
1.5 1
0.5 0
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图4-1（a） 含有高频短时信号的工频仿真电流信号
0.01 0.008 0.006 0.004 0.002
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图4-1（b） 用小波包方法检测到仿真电流信号中存在的间歇性高频振动信号
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图4-1（c） 局部放大后的间歇性高频振动信号
0.06 0.04 0.02
4. 还可以被电动机生产制造厂用来对将要出厂的电动 机产品进行内部故障隐患检查，提高产品的质量。
该项技术的应用, 可以大大提高大中型鼠笼式异步 电动机运行的可靠性，有效地降低电动机的故障率， 减少因异步电动机故障所造成的各种直接或间接的经 济损失，使电动机的运行、维护和管理提高到一个新 的水平！因此，该项技术不仅具有较大的工程应用价 值，也具有较大的社会效益和经济效益。
二. 该项技术能起到什么样的作用?
（一）功能 1. 起动过程中的转子断条故障； 2. 稳态运行时的转子断条故障； 3. 稳态运行时的气隙偏心故障； 4. 轴承的异常振动故障； 5. 定子绕组的匝间短路故障； 由于采用了先进的数学分析方法和采样技术，因此，与传统方法相比， 电动机早期故障检测的准确度得到了很大的提高。
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频率波动引起的频谱泄漏
图 4-3 锁相环频率跟踪采样电路
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图 4-6 (a) 定时采样获得的信号的频谱 (b) 频率跟踪采样获得的信号的频谱
MWDI型异步电动机早期故障小波智能诊断系统数据通讯界面
MWDI型异步电动机早期故障小波智能诊断系统故障分析界面
一．为什么要开展早期故障检测技术的研究?
（1） 电动机主要的早期故障类型简介
转子笼条断裂（简称断条）； 定子绕组的匝间短路； 轴承异常振动； 气隙偏心。
（2） 目的和意义
电动机计划检修和事后检修的不足之处； 电动机故障的多发性及其所造成的损失； 异步电机发生早期故障后的特点； 异步电机突发故障的危害；
2. 早期故障检测功能比较齐全。同类仪器通常只进行断条故障和振动故障 的检测，并且一般局限于电动机稳态运行时才能进行，而本仪器可以进行 起动过程中的转子断条、稳态过程中的转子断条、气隙偏心、轴承异常振 动以及定子绕组匝间短路等多种故障的检测；
3. 真正的在线检测方法。检测过程中无需拆卸任何接线，不影响运行中的 电动机的正常工作。检测工作可以在电动机运行现场进行，也可以在远离 运行现场的开关室或集控室内进行；
（二） 贡献
1. 进行早期故障检测，有利于减少电动机检修的盲目性，有利 于实现计划检修或事故检修向状态检修的转变；
2. 建立各台电动机的电压、电流及振动的检测波形原始档案， 便于异步电动机运行的维护与监视；
3. 当电动机的工作状态出现异常时,还可以被用来判断电动机 内部是否出现有故障，帮助电厂运行人员迅速解决问题。
2. 提出了基于锁相环（PLL）的自动频率跟踪采样的改进措施， 并把对电压的同时性也引入到早期故障分析中来，从而可以 获得十分清晰的故障特征频谱，大大降低了诊断结果的误判 率；
F (f)
300
250
(1-2s)f1
200
150
100
(1-4s)f1
50
(1+2s)f1
(1+4s)f1
0
30
35
40
45
50
55
60
65
70
f / Hz
图 4-4 采用改进采样措施后的定子电流频谱
定子绕组中的匝间短路故障是大中型异步电动机最主要 的早期电气故障之一。匝间短路故障对电动机运行状态所造 成的影响的严重程度，与绕组中发生短路的匝数有关。在匝 间短路故障的早期，当被短路的匝数较少时，故障特征不明 显，对电动机运行状态的影响较小，电动机仍然可以运行一 段时间。这种早期性质的匝间短路故障，是各种继电保护的 盲区。目前，还没有任何针对异步电机匝间短路故障的保护 措施。当匝间故障发展到一定阶段后，终将导致相间短路或 单相接地故障。尽管继电保护装置此时产生保护动作，但电 动机已经损坏，企业生产可能已经意外中断，仍然可能造成 较大的经济损失。这种早期性质的匝间短路故障，在定子绕 组的故障中，具有相当的普遍性。因此，将这种故障及时地 检测出来，就显得特别有意义。
t/s
(b)
图 3-10 空载下有一根断条时的定子起动电流及其小波脊线
i /A Ridge
5 4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0 0.2
0.4 0.6 0.8
1
t/s
0. 05 0. 04 0. 03 0. 02 0. 01
0 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
t/s
对故障检测结果的定量化描述还很欠缺；
四. 该项技术有哪些的特点？
1. 检测的准确度很高；
沙A两台一次风机； 珠江电厂的循环水泵； 广州电厂的两台循环水泵； 空军某地对空导弹部队的电动机；
2.多用途性 故障检测； 技术档案； 故障录波；
(3) 本项目与其他同类仪器的主要区别
1. 应用了小波分析这一先进的数学工具以及改进的采样技术。小波分析方 法使得该仪器不仅可以分析电动机电流信号的频率特征，还可以提取信号 的时域特征；而改进的采样技术则使得我们获得了理想的频谱图，大大提 高了故障检测的准确度。这是本仪器与同类用途仪器的最大区别；