了解电气不平衡
电气不平衡 — 又称 相位不平衡, 相位失调, 电压不平衡 或 电流不平衡 —是指在三相系统中，三相电压或电流的大小不相等，或相隔的角度不正好为 120 度。这种不对称现象，无论是源于电源还是源于 电机 绕组，产生不平衡的电磁力、过度的绕组发热、负序电流、扭矩脉动和特有的 振动 两倍 线路频率.
电气不平衡之所以具有欺骗性，是因为其中涉及到杠杆作用：即使是 2-3% 的微小电压不平衡，也会导致六至十倍的电流不平衡，悄无声息地侵蚀电机效率、热余量和绝缘寿命。这是工业设施中最常见、也是最容易被忽视的问题之一，产生的原因包括电力供应问题、厂内配电不良或电机本身的缺陷。由于其振动特征与几种真正的机械故障频率相同，因此也是维护团队最常遇到的误诊情况之一。
1.什么是相位不平衡？电压、电流和相角不平衡
“相位不平衡 ”是车间对相同情况的日常称呼，它有三种不同但相互关联的表现形式。了解您正在测量的是哪一种很重要：电压不平衡是电源强加给电机的原因，而电流不平衡则是被放大了的相位不平衡。 影响 电机也会受到影响。
电压不平衡
电压不平衡是指三条线对线（或线对中性线）电压不相等。测量方法是读取 AB、BC 和 CA 三对相电压，并根据 NEMA 定义用百分比表示： % 电压不平衡度 = （与平均值的最大偏差÷平均值）×100例如，477 V、480 V 和 483 V 相的平均电压为 480 V；最大偏差为 3 V，不平衡度为 0.625%。NEMA MG-1 认为低于 1% 的电压不平衡都是可以接受的，而 IEC 的做法则允许高达 2% 左右的电压不平衡。电压不平衡是首先要考虑的参数，因为它是几乎所有后续参数的上游驱动因素。
电流不平衡
电流不平衡是指三相电流（IA, IB, IC），用钳形表测量，并用相同的最大偏差公式计算。关于电流不平衡的首要事实是其敏感性：由于电机的负序阻抗较低，适度的电压不平衡会放大为电流不平衡，大约 大六至十倍因此，一个几乎不明显的 1% 电压不平衡可以表现为 6-10% 电流不平衡，这正是电流是更敏感的预警测量值的原因，也是为什么在一个原本稳定的电源上，电流不平衡的上升表明电机内部正在发生故障的原因。
相角不平衡
第三种形式是角度不平衡：即使三个相位的幅值相等，它们之间的相位角也不再正好相隔 120°。这种情况比幅值不平衡更不常见，而且无法通过简单的电压表观察到，需要使用电能质量分析仪来分辨相位关系。角度不平衡会产生与幅值不平衡相同的脉动扭矩和额外发热，这两种情况经常同时出现。
2.电气不平衡如何导致电机振动
电气不对称和机械振动之间的联系是通过气隙磁场实现的。在平衡的机器中，旋转磁场是平滑的，径向磁力的总和是一个稳定、对称的拉力。不平衡则会打破这种对称性，并引入一个 负序 ——一个相对于主磁场向后旋转的磁场——它与主磁场相对抗并调节磁力。
主要结果是在 两倍于线频：在 50 赫兹电源上为 100 赫兹，在 60 赫兹电源上为 120 赫兹。这个 2× 线路分量纯粹是电磁产生的——它是横跨气隙的脉动吸引力 气隙, 而不是来自旋转质量的机械力。它的振幅与不平衡程度成比例，因此，供电恶化或绕组故障发展时，会显示为 100/120 Hz 的稳定上升峰值。 频谱.
第二个更微妙的签名出现在 1倍转速, ，由滑移极通频率（极数乘以滑移频率）调制。这种极通调制会在运行速度峰值周围产生边带，是转子相关电气问题的典型特征，例如 断裂的转子条。只有正确读取这些边带，分析人员才能将供电侧不平衡与转子故障区分开来。
3.区分电气不平衡和机械不平衡
由于电磁 2× 线频分量非常接近于两极电机运行速度的两倍，因此经常会与机械故障混淆，例如 错位 或松动，也会产生 2 倍的轴速能量。区分它们是电机振动最有用的诊断技能，有两种可靠的测试方法。
第一个是 频率精度。一个电气元件被锁定在主电源上 正是 100 赫兹或 120 赫兹，而机械 2× 分量则位于实际运行速度的两倍处，由于感应电机的滑差，实际运行速度总是略低于同步速度的两倍。如果频谱分辨率足够高，峰值就会分开：不随负载变化的线锁定峰值是电气峰值；跟踪轴转速的峰值是机械峰值。
其次，也是最具决定性的一点是 断电测试。实时观察可疑的峰值并切断电机电源。真正的电气分量 瞬间消失 因为在电流停止的瞬间，磁力激励就会消失，而机械分量则会随着转子的转速下降而逐渐衰减。这种瞬时消失测试是确认电气原因的经典、明确的方法，它只需要一个实时频谱显示屏和一个停止按钮。
4.电气不平衡的原因
不平衡源自然分为三层，从电网向内到电机。
公用事业供应问题
在供电侧，不平衡通常来自不平衡的配电变压器、连接到三相系统中某一相的大型单相负载、长输电线路之间的不等阻抗，或更广泛的电力公司故障情况。这些会在电力进入建筑物之前就产生电压不平衡，可通过在总配电入口处进行测量来诊断。
设施配电
在设备内部，通常的罪魁祸首是某一相的单个高电阻连接、保险丝烧断导致部分相位丢失、电缆长度不等导致导体阻抗不同，或者极端情况下出现单相运行，即完全丢失一个相位。端子松动或腐蚀是最常见也是最容易修复的问题，通常表现为不平衡，且会随着接头发热在负载下加剧。
电机内部原因
当电源已验证平衡但电流不平衡时，故障就在电机内部。匝间短路会减少一相的有效匝数；制造差异会使绕组电阻略微不等；端子连接退化；受损绕组中的部分短路或开路会造成严重的不对称——所有这些都与更广泛的绕组故障问题重叠。 定子绕组缺陷。气隙偏心——转子不在内孔中心——是一个相关的电磁原因，它本身会产生不平衡的磁拉力，并经常伴随着绕组问题。
5. 对电机性能的影响
过热
过热是最严重的后果，也是不平衡导致电机损坏的机理。不对称产生的负序电流会耗散额外的热量，而一相最终承载的电流会远远超过其设计容量。温升与原因不成比例：根据经验法则，3% 的电压不平衡会导致绕组温度上升 18-25%。由于温度每升高 10°C，绝缘寿命就会大约缩短一半，因此绝缘会迅速老化，过早出现故障——3% 的电压不平衡会使电机寿命缩短达一半。
效率、功率因数和能源成本
不平衡会通过循环电流和负序电流降低效率，这些电流不会做任何有用功，还会降低功率因数，增加总能耗——典型的中度不平衡会导致 1-2% 的效率损失。在一年的连续运行过程中，额外的能耗很容易被低估； 三相电机功率计算器 有助于量化不平衡浪费的额外输入功率。
扭矩脉动和振动
在电气上，负序电场会产生两倍于线路频率的脉动转矩，从而驱动 扭转振动 在传动系统中，可能会激发扭转 共振。从径向看，与上述 100/120 Hz 振动相同，其振幅与不平衡程度成正比，很容易被误认为定子故障或磁拉力，因为它们的电气频率相同。
使用寿命缩短和降额
总之，热应力缩短了绝缘寿命，迫使电机在低于铭牌额定值的情况下运行。NEMA 直接通过 降额曲线不平衡度：电压不平衡度超过 1% 时，必须降低电机的可用容量；电压不平衡度达到 5% 时，降额系数大约降至 0.75，这意味着仅仅为了保持电机在热限制范围内，就要牺牲四分之一的额定输出功率。
6.NEMA 和 IEC 对电压和电流不平衡的限制
有两种标准可以确定可接受的限值，它们使用的定义略有不同，因此在测量时应精确地确定所遵循的标准。
NEMA MG-1 将电压不平衡定义为最大偏差除以平均值（本文中使用的公式），并建议电机使用的电压不平衡不超过 1% 电压不平衡。在此基础上，NEMA 要求电机沿其公布的曲线降额；它明确建议不要 相对 运行电压不平衡度超过 5% 的电机。
IEC 使用对称分量定义--负序电压与正序电压之比--一般最多可容忍大约 2% 在连续运行中。对于实际中出现的微小不平衡，两种定义给出的数字相近，但对于报告和验收测试而言，引用哪一种定义很重要。.
对于电流，没有一个通用的限制，但广泛使用的现场指导原则是将电流不平衡保持在约 0.5%以下。 10%, 如果电压不平衡度超过 NEMA 1% 目标值，则应进行调查，并将超出该值的任何情况视为故障正在发展。由于电压不平衡会放大六到十倍，因此将电压不平衡保持在 NEMA 1% 目标值以下是将电流不平衡保持在此范围内的最有效方法。不平衡度 电机铭牌电流计算器 给出了预期的满载电流，供各相比较。.
7.检测和测量
电压和电流读数
首先进行电气测量，测量时电机处于正常负载运行状态。读取以下位置的三个线对线电压值 电机端子 —— 然后计算平均值和偏差百分比。然后用钳形表读取各相电流，并与预期值进行比较， 铭牌满载电流并计算电流不平衡度。将这两个值记录在案并随时间变化，就能将一次性读数转化为预警指标。
振动分析
振动测量可确认电气不平衡是否实际到达结构以及严重程度如何。捕捉 频谱 在电机机架上寻找频率正好为 100 赫兹或 120 赫兹的峰值，将其振幅与机器的基线进行比较，然后使用第 3 节中的频率精度和断电测试，将其与不对中造成的机械 2× 区分开来。双通道 振动分析仪 因为要将 100 赫兹的线频峰值与 98-99 赫兹的机械峰值区分开来，需要简单的总电平表无法提供的分辨率。
热监测
最后，测量绕组或框架的温度，查找相位之间的温度失衡或整体温度高于负载所需的温度。由于热是不平衡造成损害的机制，因此热异常往往与电气症状同时出现，甚至先于电气症状出现。
8.使用振动分析仪进行诊断
在现场，不平衡的电气特征是由其精确的、锁定电源的频率决定的，便携式分析仪的工作就是干净利落地解决这个问题。双通道仪器，如 Balanset-1A 测量电机机架上的振动，并显示主要峰值是在线路锁定的 100 赫兹或 120 赫兹上（表明是电气原因），还是在 2 倍运行速度上（表明是不对中原因）。决定性的确认方法仍然是断电测试：在屏幕上显示实时频谱，切断电源，如果是电气原因，则观察可疑峰值是否立即消失；如果是机械原因，则观察转子是否随之下降。测试结果 电机电气故障频率计算器 列出了要搜索的与线路相关的准确频率——2×线路频率、极通边带和滑移相关成分，将混乱的低频频谱变成了一个核对表。
9.纠正、预防和监测
纠正供应方失衡
当不平衡出现在检修入口处时，请联系电力公司；否则，故障将出现在建筑物内。检查并拧紧配电系统中的每个连接点，确认保险丝和断路器完好无损，将单相负载重新均匀地分配到三个相位上，并检查变压器分接头的设置。厂内不平衡现象的惊人比例不过是一个松动或氧化的接线端子比其邻近接线端子的电阻高而已。
纠正电机方面的问题
如果电源已验证平衡，但电流不平衡，则应首先清洁并紧固电机端子和电缆连接，然后使用绝缘电阻和电流特征分析法测试绕组故障。确认内部绕组故障意味着要重新绕组或更换电机，匝间短路无法进行现场维修。
降级、安装和持续监测
在无法消除不平衡的情况下，应按照 NEMA 降额曲线降低负载以保护绕组，同时密切监控温度。通过在通电前验证电机端子的电压平衡、确定导线尺寸以尽量减少压降以及确认正确的星形-三角形接法，防止在安装时再次发生不平衡。在使用过程中，定期读取电压和电流读数，并将其纳入更广泛的 状态监测 与 趋势分析，注意保险丝熔断或断路器跳闸，并在电机问题反复出现的地方进行电能质量调查。将不平衡作为一个需要进行趋势分析的参数，而不是故障发生后需要追查的故障，这样才不会悄无声息地缩短整个电机群的寿命。
10.常见问题
电压不平衡和电流不平衡有什么区别？
电压不平衡是指三个电源电压不平衡，通常是原因；电流不平衡是指三个相电流不平衡，是放大效应。由于电机的负序阻抗较低，微小的电压不平衡会产生六至十倍的电流不平衡，因此电流是更为敏感的预警测量值。
电气不平衡在什么频率下会表现为振动？
线路频率的两倍——50 赫兹电源为 100 赫兹，60 赫兹电源为 120 赫兹——因为负序磁场以该频率调制气隙磁力。与转子相关的电气故障会在滑极通频率处增加位于 1 倍运行速度附近的边带。
如何区分电气不平衡与机械不平衡或偏差？
使用断电测试：在观察频谱的同时切断运行电机的电源。真正的电气分量会立即消失，而机械分量则会随着转子转速下降而逐渐衰减。频率恰好为 100/120 Hz 且不随负载变化的线路锁定峰值也是可靠的电气指标。
可以接受的电压不平衡程度是多少？
NEMA MG-1 建议将电压不平衡保持在 1% 以下，超过此值则需要降额，建议操作电压不要超过 5%。IEC 采用对称分量定义，可容忍高达约 2%。将电压不平衡保持在 1% 以下是将电流不平衡保持在常用的 10% 现场限制范围内的最有效方法。.
为什么微小的电压不平衡就会导致如此严重的发热？
不对称会产生负序电流，这些电流与电机的低负序阻抗相对流，在一相过载的情况下产生额外的热量。3% 的电压不平衡可使绕组温度升高 18-25%，绝缘寿命缩短一半左右。.
便携式振动分析仪能否检测出电气不平衡？
可以。Balanset-1A 等双通道分析仪可解决 100/120 Hz 线路锁定峰值问题，让您可以进行断电测试，并读取区分电源侧不平衡和转子故障的极通边带，而这一切都不需要单独的电能质量仪器。.
