寇 震

(中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司,100040,北京//高級(jí)工程師)

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城市軌道交通車站特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

寇 震

(中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司,100040,北京//高級(jí)工程師)

根據(jù)城市軌道交通車站的需求,提出了一種通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶胤N設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過一種諧波檢測(cè)的方法,在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè);通過對(duì)各階諧波分量所占比例的計(jì)算,結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)比對(duì),分析得到設(shè)備不同位置的劣化情況,對(duì)有安全隱患的部位提出維修建議。

城市軌道交通; 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 特種設(shè)備; 諧波檢測(cè)

Author′s address China Railway Construction Electrification Bureau Group Co.,Ltd.,100040,Beijing,China

0 概述

城市軌道交通車站具有長(zhǎng)期不間斷運(yùn)營(yíng)、人流密度大的特點(diǎn),車站的各種特種設(shè)備也長(zhǎng)期處于高負(fù)載不間斷運(yùn)行的工況下。在這種工況下一旦發(fā)生突發(fā)性的設(shè)備故障,就容易造成嚴(yán)重的乘客人身傷害問題。為了防止特種設(shè)備出現(xiàn)故障,一般采用固定周期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。定期維修模式的弊端是維修計(jì)劃的制定有一定的盲目性,一般是按月、按季度、按年進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。這種模式下,有可能造成過度維修或者維修不足的情況:正常工作的設(shè)備到了維修周期后,不得不停機(jī)維修;具有隱患的設(shè)備,還未到維修周期,就發(fā)生了故障。定期維修并不能完全滿足設(shè)備的維修需求,因此,狀態(tài)維修技術(shù)作為一種高效、精準(zhǔn)的維修方式,逐漸在國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來。

狀態(tài)維修建立在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上,通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出的外部特征(如噪聲、發(fā)熱、電流諧波等)的測(cè)量,得出設(shè)備的健康狀態(tài)。如果設(shè)備的外部特征處于平穩(wěn)狀態(tài),說明設(shè)備健康狀況良好;如果設(shè)備的外部特征處于不斷變大惡化的狀態(tài),說明設(shè)備處于劣化期,設(shè)備的部分零部件可能需要維修。國(guó)外城市軌道交通的發(fā)展歷史較長(zhǎng),車站設(shè)備監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用也較成熟。而國(guó)內(nèi)城市軌道交通車站的特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)一般處于各自為政的狀態(tài):各設(shè)備廠家都提供各自的獨(dú)立的設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng),不能很好地對(duì)車站設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。城市軌道交通車站特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車站特種設(shè)備的統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)維修和綜合管理,進(jìn)而減少維修維護(hù)成本,減少突發(fā)設(shè)備故障。

1 特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

對(duì)于車站的特種設(shè)備,一般情況下不能對(duì)其電路系統(tǒng)進(jìn)行私自改造,無法通過將監(jiān)測(cè)儀器并入原有電路的方式監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。所以需要采用一種無損檢測(cè)技術(shù),在不干擾特種設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。

諧波分析法是一種非接觸式的故障監(jiān)測(cè)技術(shù),通過檢測(cè)電氣設(shè)備輸入輸出電流中的各階高次諧波分量所占的比例,來判斷設(shè)備的老化趨勢(shì)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在理想狀態(tài)下,電能可以100%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。能量全部消耗在工頻頻段(國(guó)內(nèi)即指50 Hz的頻段)。電路中沒有諧波分量,即各次諧波的能量趨近于0。當(dāng)設(shè)備發(fā)生劣化后,部分零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生能量損失,損失的能量有的以噪聲和發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來,有的則以電流諧波的形式表現(xiàn)出來,所以電路中存在了高次諧波的分量。各階高次諧波所占的比例與設(shè)備的各零部件自振頻率和和劣化情況有關(guān)。各階諧波所占比例不同,反映了設(shè)備的不同故障情況。

利用這一原理,對(duì)運(yùn)行中的電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過諧波傳感器檢測(cè)電氣設(shè)備電纜中的電流諧波信號(hào),并通過傅里葉變換到頻域后,將諧波數(shù)據(jù)與專家數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比,分析設(shè)備故障位置及故障程度。

2 特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由故障監(jiān)測(cè)分析模塊、地面應(yīng)用程序、各級(jí)查詢終端,以及支撐這些子系統(tǒng)運(yùn)行的辦公網(wǎng)、公用GPRS (通用分組無線業(yè)務(wù))網(wǎng)等構(gòu)成。監(jiān)測(cè)分析模塊通過諧波監(jiān)測(cè)傳感器采集信號(hào),將諧波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到信號(hào)接收器,再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器;與專家數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)分析,得出設(shè)備健康狀態(tài),生成檢測(cè)結(jié)果,發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器。地面應(yīng)用程序運(yùn)行設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的Web程序,包括數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)展示功能,對(duì)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并采用B/S方式將數(shù)據(jù)展示給用戶;硬件上包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及進(jìn)行諧波數(shù)據(jù)分析的專家數(shù)據(jù)庫,功能上包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)控、故障統(tǒng)計(jì)分析等功能模塊。各級(jí)查詢終端以內(nèi)部辦公網(wǎng)為依托,按照業(yè)務(wù)在多個(gè)部門、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、維護(hù)廠家等位置設(shè)置查詢終端,并為設(shè)備維護(hù)人員配備手持終端;當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),服務(wù)器會(huì)推送故障信息到監(jiān)控主機(jī)上,并通過運(yùn)營(yíng)商專線將故障報(bào)警信息、設(shè)備故障位置和故障詳細(xì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備維護(hù)人員手持終端上。

用戶通過瀏覽器進(jìn)行Web訪問,查看系統(tǒng)中的設(shè)備履歷、設(shè)備故障在線監(jiān)測(cè)和設(shè)備健康狀態(tài)分析等信息。車站內(nèi)部的管理人員通過辦公網(wǎng)進(jìn)入系統(tǒng),不能進(jìn)入車站辦公網(wǎng)的維修廠家和現(xiàn)場(chǎng)工作人員,通過運(yùn)營(yíng)商專線與車站辦公網(wǎng)互通,實(shí)現(xiàn)車站管理人員與車站現(xiàn)場(chǎng)工作人員及設(shè)備維修人員的實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)。

2.2 故障監(jiān)測(cè)分析模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 監(jiān)測(cè)模塊總體設(shè)計(jì)

根據(jù)城市軌道交通車站特種設(shè)備的實(shí)際使用情況,主要針對(duì)車站的電梯、扶梯進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)其電動(dòng)機(jī)的工作情況。由于車站建設(shè)完成后重新布線組網(wǎng)比較困難,所以設(shè)備監(jiān)測(cè)分析模塊采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)發(fā)送諧波數(shù)據(jù),經(jīng)過信號(hào)接收器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用辦公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囌静渴鸬姆?wù)器中。服務(wù)器對(duì)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析,并通過對(duì)比專家數(shù)據(jù)庫中的諧波歷史數(shù)據(jù),給出設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),分析設(shè)備健康情況。

2.2.2 諧波傳感器安裝位置

諧波檢測(cè)法的主要適用對(duì)象為電動(dòng)機(jī)及其配套的變頻器。在諧波信號(hào)強(qiáng)度足夠,同時(shí)保證設(shè)備和人員安全的情況下,可以檢測(cè)額定電壓200 V至40 kV的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于城市軌道交通車站來說,常見的各類電動(dòng)機(jī)一般額定電壓都在600 V以下,可以采用便攜式的諧波檢測(cè)探頭,在滿足低壓絕緣的檢測(cè)環(huán)境下進(jìn)行諧波數(shù)據(jù)采集。

特種設(shè)備一般安裝在封閉的空間中,電機(jī)、電纜都具有良好固定。而檢測(cè)電機(jī)電纜的諧波信號(hào),需要將傳感器安裝于設(shè)備的供電回路的電纜線上,因此諧波傳感器和其無線信號(hào)發(fā)生器也安裝固定在封閉空間中,如安裝在電梯井中的電機(jī)輸入電纜上,如圖2所示。

圖2中線纜上的圓圈位置為諧波傳感器的安裝位置。在電動(dòng)機(jī)的輸入電纜上接入諧波傳感器,即可獲取到電動(dòng)機(jī)的諧波信號(hào)。對(duì)于變頻啟動(dòng)電機(jī),在變頻器的一次側(cè)和二次側(cè)都分別接入諧波傳感器,電機(jī)前部也接入諧波傳感器,這樣可以同時(shí)檢測(cè)變頻器和電動(dòng)機(jī)的故障情況。

圖2 諧波傳感器的安裝位置示意圖

2.2.3 諧波傳感器數(shù)據(jù)傳輸方案

傳感器通過探頭采集到設(shè)備的諧波信號(hào),經(jīng)過A/D (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后,通過無線信號(hào)發(fā)生器發(fā)送出去。信號(hào)接收器接收到信號(hào)后,再通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器中。數(shù)據(jù)傳輸方案如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)分析模塊無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方案示意圖

2.2.4 諧波傳感器檢測(cè)流程

電流諧波的檢測(cè)可以通過諧波傳感器來完成,檢測(cè)流程如圖4所示。步驟S10檢測(cè)電動(dòng)機(jī)輸入電纜的總諧波失真(WTHD),采集的總諧波失真的諧波階數(shù)為是第2到第40階。步驟S11把每階的相對(duì)諧波含量除以在步驟S10采集的總諧波失真,得到諧波指示值(WTHK)。步驟S12判斷設(shè)備劣化情況。WCHK是第K階諧波的標(biāo)準(zhǔn)值,將其與WTHK相比較。當(dāng)WCHK大于WTHK時(shí),此時(shí)進(jìn)入到步驟S13,判斷電動(dòng)機(jī)工作在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài);當(dāng)WCHK小于WTHK時(shí),此時(shí)進(jìn)入到步驟S14,判斷電動(dòng)機(jī)工作在劣化狀態(tài)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

城市軌道交通車站主要特種設(shè)備是電梯。電機(jī)作為電梯的動(dòng)力提供裝置,承載了巨大的載荷。由于機(jī)械故障造成電梯出現(xiàn)的卡頓、過載等問題,會(huì)在一定程度上反映在電機(jī)上,因此對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。選取了電梯曳引電機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象。經(jīng)過多天的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集和分析,得出電機(jī)主要部件的健康狀態(tài)和變化趨勢(shì)。

圖4 電動(dòng)機(jī)檢測(cè)流程

電梯分為扶梯和直梯,均需要將監(jiān)測(cè)探頭安裝到電機(jī)電纜或者配電箱電機(jī)供電電纜上。監(jiān)測(cè)探頭扶梯安裝流程:①停止扶梯運(yùn)行,將扶梯轉(zhuǎn)換為人工控制;②打開扶梯電機(jī)所在的地坑蓋板;③進(jìn)入地坑,通過專用卡具將諧波探頭固定到電機(jī)的輸入電纜上;④退出地坑,開啟扶梯正常運(yùn)行,進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)探頭直梯安裝流程:①停止直梯運(yùn)行,將直梯轉(zhuǎn)換為人工控制;②將直梯轎廂下降到合適位置,工作人員進(jìn)入轎廂頂部檢修平臺(tái);③控制轎廂位置調(diào)整到曳引電機(jī)附近,工作人員將諧波探頭安裝到電機(jī)的輸入電纜上;④開啟直梯正常運(yùn)行,進(jìn)行測(cè)量。

試驗(yàn)選取了某車站運(yùn)行中的扶梯電機(jī)作為測(cè)試樣本,對(duì)同一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行了多天的測(cè)試。自動(dòng)扶梯品牌為西子奧的斯,型號(hào)為X021NP-S。其曳引電機(jī)為三相異步電機(jī),型號(hào)為YFD200L1-6,額定電壓380 V,額定電流38 A,出廠日期2012年1月,已經(jīng)投入使用了4年時(shí)間。按照?qǐng)D4的檢測(cè)流程進(jìn)行測(cè)量,得出各階諧波失真,并與專家數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)比較匹配,結(jié)果見表1。

表1 監(jiān)測(cè)分析結(jié)果

設(shè)備的劣化程度由劣化等級(jí)表示,第一位字母按A、B、C表示劣化程度依次加重,第二位數(shù)字的大小表示劣化程度大小。對(duì)于出現(xiàn)C級(jí)劣化等級(jí)的部位應(yīng)該及時(shí)安排檢修,對(duì)于出現(xiàn)B級(jí)劣化等級(jí)的部位應(yīng)該加強(qiáng)觀察,注意設(shè)備該部位的劣化程度是否持續(xù)上升,并在3～6個(gè)月內(nèi)進(jìn)行檢修。

根據(jù)劣化程度分析,電機(jī)部分受熱振動(dòng)(線圈的局部過熱)或負(fù)載共振、異常變動(dòng)的影響,軸承、軸承箱會(huì)有壓力征兆。注意潤(rùn)滑油可能有變色、析出的現(xiàn)象,導(dǎo)致負(fù)載共振或線圈末端有污漬,出現(xiàn)局部過熱,發(fā)生熱振動(dòng)現(xiàn)象。負(fù)載部分的負(fù)載損失較大,有軸承損壞、異物附著的征兆,有轉(zhuǎn)子異常(彎曲、疲勞、龜裂)的征兆。

由于電機(jī)部的劣化程度更嚴(yán)重,對(duì)該電機(jī)進(jìn)行多天的檢測(cè),并繪制設(shè)備劣化趨勢(shì)圖,分析設(shè)備的健康發(fā)展?fàn)顟B(tài)。如圖5所示。

圖5 電動(dòng)機(jī)劣化趨勢(shì)圖

從圖5中可看出,電機(jī)部分線圈絕緣的劣化程度一直處于較高水平,說明線圈絕緣差,導(dǎo)致的功率損失較大。建議應(yīng)該立即維修該設(shè)備,清理電機(jī)內(nèi)部(清理灰塵、油污等),對(duì)線圈進(jìn)行絕緣處理(如浸漬絕緣漆、烘干處理等),以減少功率損耗。

4 結(jié)語

特種設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是適用于城市軌道交通車站運(yùn)營(yíng)狀況的綜合管理系統(tǒng)。完善的設(shè)備故障監(jiān)測(cè)可以有效地較低設(shè)備故障的發(fā)生概率,提高對(duì)乘客的服務(wù)質(zhì)量,促進(jìn)車站特種設(shè)備管理的信息化。但是設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)是不斷發(fā)展的,故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是一個(gè)不斷優(yōu)化和迭代的系統(tǒng)。在系統(tǒng)的使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù),通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析,可不斷優(yōu)化專家數(shù)據(jù)庫。充分有效地利用這些寶貴的數(shù)據(jù)資源,不斷提高設(shè)備監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,提高設(shè)備管理的科學(xué)性。

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Fault Monitoring System for Special Equipment of Rail Transit Station

KOU Zhen

According to the requirements of urban rail transit station,a special equipment fault monitoring system based on wireless network is proposed.Through a harmonic detection method,the device is used for the non-destructive detection of equipment fault in the normal operation.By calculating the proportion of each harmonic component,and compared with the data from the expert database,the deterioration of equipment in different positions is analyzed,and corresponding maintenance suggestions are put forward for the parts with safety hazard.

urban rail transit; fault monitoring system; special equipment; harmonic detection

U292.1

10.16037/j.1007-869x.2017.06.029

2017-04-01)