彭長征++郝富強(qiáng)

摘 要：該文以電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，從電氣設(shè)備的故障原理及監(jiān)測方法出發(fā)，對電氣設(shè)備的保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等現(xiàn)狀、存在的問題等方面做了較為詳細(xì)的闡述，提出了基于動(dòng)態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)平臺的概念，彌補(bǔ)了電氣信息和機(jī)械信息之間的斷層，經(jīng)過在海上平臺原有外水泵電機(jī)中的應(yīng)用，得到了較完整的電機(jī)狀態(tài)信息，為現(xiàn)場人員的預(yù)測性維護(hù)工作提供了很大幫助，為其他重要電氣設(shè)備的日常維護(hù)提供了參考。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測 動(dòng)態(tài)模型 原油外輸泵電機(jī)

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0047-02

隨著我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，電力技術(shù)水平的不斷提升，電力設(shè)備額定電壓及單機(jī)容量越來越大，設(shè)備的結(jié)構(gòu)品種也越來越多樣化，傳統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)采用定期停電后絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的方法，該方法體現(xiàn)出一定的滯后性，其不僅需要在試驗(yàn)時(shí)停電，而且試驗(yàn)結(jié)果無法將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的絕緣情況真實(shí)、客觀的反映出來，因此，在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用是大勢所趨。

對于電力電氣系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測而言，其主要對象針對電廠和電力系統(tǒng)方面的重要電力設(shè)備，例如變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及電纜和斷路器等相關(guān)的設(shè)備。該文就從動(dòng)態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究入手，分析如何加強(qiáng)電氣設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)水平。

1 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀與不足

目前對于電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測主要停留在兩個(gè)水平，純電氣的保護(hù)和純機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測。

純電氣的保護(hù)：長期以來，處于重要位置的大型電機(jī)都有繼電保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)達(dá)到或超過繼電器的設(shè)定值，會自動(dòng)切斷電路，讓電機(jī)停止運(yùn)行。對于電氣設(shè)備的保護(hù)，主要集中在過電流、過電壓、欠電壓、差動(dòng)、負(fù)序、失磁、接地或逆電流保護(hù)上。

純機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測：除了廠家配套的繼保裝置，在設(shè)備正常運(yùn)行后，用戶可能會根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況，或電機(jī)的重要性等特點(diǎn)加裝純機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，以判斷電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種機(jī)械故障，比如轉(zhuǎn)子條斷裂、軸承損壞等。

純電氣的保護(hù)主要集中在設(shè)備的保護(hù)上，但是保護(hù)的前提是必須要有精確的保護(hù)設(shè)定值，對于各種各樣的現(xiàn)場情況，如何得到保護(hù)設(shè)定值是一個(gè)值得研究的巨大課題。同時(shí)保護(hù)主要是在設(shè)備故障發(fā)生后的動(dòng)作，并不能防患于未然。

純機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測主要集中在振動(dòng)監(jiān)測上，通過在電機(jī)軸承座上加裝加速度探頭，采集后的振動(dòng)信號經(jīng)過分析，得出電機(jī)的相應(yīng)的機(jī)械故障，可以實(shí)現(xiàn)事后維修為預(yù)測性維修。缺點(diǎn)是需要的振動(dòng)理論知識高，并且對于電機(jī)匝間短路等電氣故障并不能準(zhǔn)確加以預(yù)測，并且在設(shè)備運(yùn)行時(shí)加裝探頭和敷設(shè)電纜，也對現(xiàn)場的維護(hù)帶來了不便，也就造成了現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員對純機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的推廣度并不高的現(xiàn)狀。

2 基于動(dòng)態(tài)模型的設(shè)備預(yù)測性維護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

為了避免之前出現(xiàn)的將電氣保護(hù)和機(jī)械故障剝離的種種問題，筆者將目前比較流行的動(dòng)態(tài)模型技術(shù)與設(shè)備預(yù)測性維護(hù)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一套電機(jī)綜合性預(yù)測性維護(hù)平臺。

在動(dòng)態(tài)模型技術(shù)中，變工況下三相系統(tǒng)期望的動(dòng)態(tài)模型，比如負(fù)載，是用電動(dòng)機(jī)異常情況下測量得到的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行確定和比較的。系統(tǒng)首先對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，獲取并處理實(shí)時(shí)來自電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)識別算法進(jìn)行處理，從而計(jì)算出期望的動(dòng)態(tài)行為和模型參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)的變化預(yù)示著系統(tǒng)中有異常發(fā)生。此外，對這些參數(shù)的處理還用于診斷分析。

與傳統(tǒng)的振動(dòng)和電流特征分析形成對照，這動(dòng)態(tài)模型技術(shù)采用了一種因果（輸入-輸出）關(guān)系，因此，不受周圍環(huán)境噪聲信號或輸入中的噪聲信號的影響；同時(shí)系統(tǒng)還篩選出期望與實(shí)際行為之間的差異，并僅對由系統(tǒng)所生成的異?，F(xiàn)象進(jìn)行強(qiáng)化，這樣就能更早更準(zhǔn)確的發(fā)出預(yù)警。采用專家系統(tǒng)的方法避免了必須維持一個(gè)數(shù)據(jù)庫或記錄的需要，也無需專業(yè)人員費(fèi)時(shí)費(fèi)力的采集數(shù)據(jù)和分析。雖然只測量了電壓和電流，但是還是能提供全方位故障監(jiān)測，包括機(jī)械、電氣和拖動(dòng)系統(tǒng)的故障。

基于動(dòng)態(tài)模型的電機(jī)綜合性預(yù)防維護(hù)平臺數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

運(yùn)行與檢查：在此模式下，快速檢查電動(dòng)機(jī)上的所有連接，確定相序、以及電動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)設(shè)備相連并正在運(yùn)行。同時(shí)還檢查電壓和電流是否在設(shè)定的限制范圍內(nèi)，V1與I11-I12通道之間的相位角是否正確；

學(xué)習(xí)：主要包括電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行空曠下的行為學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程包括實(shí)現(xiàn)設(shè)置好的數(shù)據(jù)采集循環(huán)次數(shù)和數(shù)據(jù)分析時(shí)間。一旦達(dá)到了預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)，系統(tǒng)就會進(jìn)一步對采集和預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入加工，從而得到一個(gè)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是由代表著實(shí)際帶載工況下的電動(dòng)機(jī)行為的一個(gè)數(shù)據(jù)集所組成；為了能充分覆蓋一個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所經(jīng)歷的各種負(fù)載工況，就需要足夠數(shù)量的采集循環(huán)或迭代次數(shù)。

改進(jìn)：一旦初始學(xué)習(xí)過程完成，系統(tǒng)就將通過更新學(xué)習(xí)模式期間獲取的數(shù)據(jù)庫而自動(dòng)改進(jìn)提高它對電動(dòng)機(jī)特性的預(yù)測。在改進(jìn)模式下，數(shù)據(jù)庫是根據(jù)不同的負(fù)載和供電線路情況而進(jìn)行更新的。改進(jìn)模式的持續(xù)時(shí)間決定于數(shù)據(jù)菜單路徑設(shè)置的改進(jìn)迭代次數(shù)。

報(bào)警：此處的報(bào)警主要是針對各種故障而產(chǎn)生的報(bào)警信息。報(bào)警信息以報(bào)警碼的形式存在，用戶通過查找報(bào)警碼表來找到報(bào)警的具體原因，找出到底是電氣故障，還是機(jī)械故障，或者僅僅只是接線的故障。

根據(jù)之前的研究情況，將該平臺應(yīng)用于某海上石油設(shè)施上，監(jiān)測的對象為設(shè)施3臺原油外輸泵，泵體功率160 kW，通過變頻器帶動(dòng)。

每臺電機(jī)都需要安裝三臺電流和電壓互感器，三部模塊采用菊花鏈的方式連接。采集的頻譜如圖2所示；評估的結(jié)果如圖3所示。

可以看出，通過對三相電壓和電流信號的采集，系統(tǒng)自動(dòng)給出了基礎(chǔ)松動(dòng)、不平衡、風(fēng)機(jī)頁面故障等問題，并且給出了需要解決的時(shí)間區(qū)間，為現(xiàn)場的預(yù)測性維護(hù)提供了電氣和機(jī)械方面的指導(dǎo)性意見，方便實(shí)用。

3 結(jié)語

基于動(dòng)態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)技術(shù)避免了機(jī)械和電氣專業(yè)之間的技術(shù)斷層，在正確使用的情況下，能對所有容量和功率等級的三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)某臺電動(dòng)機(jī)（甚至與之相關(guān)聯(lián)的機(jī)械設(shè)備）性能開始下降時(shí)，即可提供清晰明確的只是，三個(gè)電流互感器和三個(gè)電壓互感器取代了大量儀表性能欠佳的傳感器，在傳統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷之外，還能對當(dāng)前線路的諧波等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警，大大完善了設(shè)備的各種參數(shù)。

狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)平臺目前在某海上得以應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用的情況良好，豐富了現(xiàn)場維護(hù)人員對設(shè)備狀態(tài)掌握情況，提高了現(xiàn)場預(yù)測性維護(hù)水平。

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