張紅志

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東青島 266400）

0 引言

公司內(nèi)部供配電系統(tǒng)中的互感器除周期性進行預防性試驗和突發(fā)事故檢測外，在運行時無其他監(jiān)測手段。通過對用電設備的電流電壓頻譜數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)電流諧波異常升高隱患，通過逐步分析排查，最終鎖定為電流互感器故障，避免了一起電氣設備事故的發(fā)生，保障了公司正常的生產(chǎn)運行，驗證了通過電流電壓頻譜分析技術(shù)監(jiān)測電流互感器工作狀態(tài)的可行性。

1 電機電信號（電流電壓）頻譜分析技術(shù)

目前，絕大多數(shù)應用于電力設備上的故障檢測技術(shù)都是利用波形與時間變化來分析。而在電機故障診斷領(lǐng)域，隨著科技的不斷發(fā)展和進步，信號采集和處理裝置不斷更新升級，利用電機定子電流數(shù)據(jù)進行精確的電機故障診斷已成熟應用，特別是基于快速傅里葉變換技術(shù)的電機故障診斷技術(shù)非常成熟。除定子故障外，大部分的電機類故障也都可以利用電信號頻譜分析技術(shù)進行故障診斷分析。

但有時導致電機故障的原因并不僅僅局限于電機自身，其外部供電系統(tǒng)的故障也可導致電機運行異常。在理想狀況，外部三相供電電源應完全平衡，電壓和電流是完美的正弦波形，但實際上受制造工藝、材料等多種因素的制約，電源只能做到相對的完美和平衡。這也就導致了電機會因外部供電問題而產(chǎn)生故障，因此在對定子電流進行頻域分析的基礎上，也可利用同一時刻的電壓信號，利用時間波形和高階頻譜檢測技術(shù)，來評價外部供電電源的狀態(tài)。隨著時代的發(fā)展，單純的電流或電壓的頻域、時域分析已經(jīng)不能滿足對電機故障診斷技術(shù)的需要，因此結(jié)合上述兩者的技術(shù)優(yōu)勢引申出新的電機電信號分析診斷技術(shù)[1]。即采集電機負載時的電流、電壓信號，利用時域和頻域?qū)﹄姍C狀態(tài)進行綜合的分析和診斷。動態(tài)分析和判斷電機問題，利用趨勢分析的方法，分析輸入電源的健康狀態(tài)、電機定子繞組的健康狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)子的健康狀態(tài)、電機的氣隙靜態(tài)和動態(tài)偏心率、電機系統(tǒng)負載和效率等問題。

2 互感器磁飽和現(xiàn)象及電流諧波的產(chǎn)生機理與危害

2.1 電流互感器的磁飽和現(xiàn)象

電流互感器磁飽和現(xiàn)象是指在電流互感器鐵芯中磁通密度大于其飽和磁通密度，磁通密度不再與互感器的一次側(cè)電流的大小成比例關(guān)系。其磁通量計算公式為：

式中：Bm為鐵心內(nèi)部最大磁感應強度；Hm為鐵心內(nèi)部磁場強度的最大值；A 為鐵心的橫截面積；Φm為磁通量；μ 為真空磁導率與相對磁導率之積；μ0為真空磁導率；μr為相對磁導率；N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)；L 為平均磁路長度；Im為勵磁電流峰值[2]。

電流互感器發(fā)生磁飽和現(xiàn)象后，一次側(cè)電流與二次側(cè)電流不再成比例關(guān)系，電流互感器不能正常的對外反應電流變化情況。同時在磁飽和狀態(tài)下，鐵芯中磁通密度大，互感器的渦流和磁滯損耗增大，互感器鐵芯發(fā)熱明顯，本體絕緣材料容易過熱損壞。

電流互感器的磁飽和狀態(tài)又分暫態(tài)飽和、穩(wěn)態(tài)飽和。暫態(tài)飽和：互感器僅在暫時狀態(tài)下的飽和，并且會隨時間的變化逐漸退出飽和狀態(tài)。其特點為產(chǎn)生的諧波類型豐富，除3、5、7 次等奇次諧波外，還存在2、4 次等偶次諧波。穩(wěn)態(tài)飽和：互感器的磁飽和不會隨時間的變化而變化，一直處于穩(wěn)定飽和狀態(tài)。其特點為產(chǎn)生的諧波類型單一，以3、5、7 次等奇次諧波為主。

2.2 電流諧波的產(chǎn)生機理與危害

電流諧波是指電流正弦波的分量，為電源頻率的整數(shù)倍，不同類型的諧波對電氣設備會產(chǎn)生不同的影響。當正弦波電壓進入到非感性的用電器上時，用電器的輸入電流與輸入電壓的波形不一致，就會發(fā)生畸變。然而由于用電器是與整個電網(wǎng)相連接，發(fā)生畸變的電流就會通過用電器反饋到電網(wǎng)系統(tǒng)中，這樣用電器就成了整個電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障源。

含有大量諧波的電流對電網(wǎng)是一種嚴重污染，危害十分嚴重，可以使用電設備自身的工作環(huán)境發(fā)生惡化，同時也會對周圍相關(guān)聯(lián)的其他用電設備產(chǎn)生干擾。不僅使電能的傳輸和利用的效率下降，還會讓電氣設備產(chǎn)生過熱、振動值升高和噪聲異常，甚至導致設備異常老化，縮短設備使用壽命，直至發(fā)生事故或損壞。

3 互感器諧波故障

3.1 設備參數(shù)及數(shù)據(jù)采集

所監(jiān)測電機為公司動力部空壓機站所屬高壓電機（額定功率1750 kW，電壓等級10 kV），所帶負載為大流量空氣壓縮機，電機工況一直處于工頻穩(wěn)定狀態(tài)運行。

電機電流電壓頻譜分析數(shù)據(jù)采集點位于高配室電機饋電柜的CT 與PT 二次側(cè)。主要采集其三相的電流與電壓信號數(shù)據(jù)。采集時長約1 min，正常監(jiān)測周期為每月1 次。

3.2 電流諧波故障的發(fā)現(xiàn)

在對動力部空壓機站所屬高壓電機的電流電壓數(shù)據(jù)例行監(jiān)測分析時，發(fā)現(xiàn)其5#高壓電機存在異常情況，其數(shù)據(jù)解調(diào)出的電流電壓頻譜圖中電流諧波的峰值明顯升高（圖1），電流諧波畸變量達到14%遠超過GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》“10 kV 電網(wǎng)標稱電流總諧波畸變率應不超過3%”[3]的規(guī)定，同時電流頻譜圖中顯示諧波以3、5、7 次等奇次諧波為主，且含量較多。還發(fā)現(xiàn)其A 相的有功功率明顯低于B、C 兩相，無功功率也有較大增加，屬于嚴重的故障隱患。此時電機雖在正常運轉(zhuǎn)，但應立即停機查明故障原因，排除事故隱患。

圖1 電流諧波

經(jīng)過連續(xù)2 d 的采集監(jiān)測，該故障特征一直穩(wěn)定存在，且電流諧波量還在增加。于是將該故障隱患通知動力部空壓站，要求將該高壓電機停機，并配合對具體故障部位的查找和排除。

3.3 排查電流諧波故障原因及過程

該空壓機站電機系10 kV 高壓電機，由動力部35/10 kV變壓器提供總電源，進入高壓配電室后再由高壓母線再向各電機分別供電?，F(xiàn)場高配室內(nèi)為三段式控制柜，電機的啟停方式為工頻直接啟停。

經(jīng)查閱相關(guān)資料明確出現(xiàn)電流諧波的主要原因，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況梳理出以下4 類設備的故障可導致電機電流諧波的增大：①變壓器故障；②電機自身繞組絕緣異常；③高壓電流互感器故障；④供電線路上其他設備故障干擾。

針對上述4 條可能導致電機電流諧波增大的故障原因，分別制定了相應的排查驗證方案。首先對同線路其他設備的情況進行電流電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測檢查，驗證其他電氣設備的運行是否對該電機諧波增大產(chǎn)生干擾。經(jīng)過與同時段其他電機的電流電壓頻譜數(shù)據(jù)的比對，同時段同母排供電的其他電機電流諧波畸變均在1%左右，可基本排除供電線路上其他設備故障干擾的可能。然后利用機械振動頻譜和電機離線綜合測試儀對該電機進行綜合監(jiān)測評估電機健康狀態(tài)，機械振動監(jiān)測首先對運行的5#電機進行監(jiān)測診斷，監(jiān)測結(jié)果：電機振動值正常，無異常振動頻率。于是協(xié)調(diào)空壓站將5#電機停機，使用電機離線測試儀對電機定轉(zhuǎn)子健康狀態(tài)進行評估，離線評估結(jié)果：電機絕緣和直阻指標均在正常范圍，無匝間和相間短路情況，因此排除電機故障導致的電流諧波增大。

完成上述排查工作后，協(xié)調(diào)空壓機站對直接向5#電機供電的變壓器進行試驗檢測，驗證是否為變壓器故障導致的電機電流諧波增大。將變壓器退出運行后進行絕緣、變比、直阻等檢測。該變壓器高低壓側(cè)絕緣均在正常范圍，高壓側(cè)直阻偏差0.6%、低壓側(cè)直阻偏差1.1%，最大變比誤差0.03%，變壓器狀態(tài)正常（變壓器檢測標準：高壓側(cè)直阻＜2%，低壓側(cè)直阻＜4%，變比誤差＜0.5%）[4]，可排除變壓器故障導致的電機電流諧波升高。

至此高壓互感器故障的可能性進一步加大，最后確認為故障部位，決定對電機的高壓電流互感器進行特性試驗，驗證是否為互感器故障導致的電機諧波升高。遂將該電機配電柜內(nèi)的3臺電流互感器（型號LZZBJ9-10，額定變比200/5 A，10P 級。2014 年7 月生產(chǎn)）送檢試驗。經(jīng)過變比試驗后，發(fā)現(xiàn)送檢的3 臺電流互感器中其配電柜A 相所用電流互感器變比誤差超出正常范圍（表1），其余兩相結(jié)果均正常。

表1 互感器變比試驗結(jié)果

依據(jù)上述試驗結(jié)果，可以判定本次5#電機的電流諧波異常升高原因是該電機配電柜內(nèi)A相電流互感器故障，于是建議動力部將存在問題的電流互感器更換。更換互感器后，再次對運行中的5#電機進行電流電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，5#電機電流諧波由14%降至1.2%（表2），電機狀態(tài)監(jiān)測正常。證實了本次電流諧波升高是由電流互感器故障導致。

表2 電流互感器更換前后諧波量對比 %

3.4 原因推斷

經(jīng)向有關(guān)人員問詢并查閱相關(guān)設備檔案，了解到該電流互感器在2015 年4 月投入使用前進行過變比及伏安特性試驗，試驗結(jié)果符合標準。連續(xù)運行至今已達7 年，期間電流互感器本體未進行過檢測和維修。為探究故障原因決定對故障電流互感器使用直流電阻測試儀的檢測，發(fā)現(xiàn)其阻值較其他正?；ジ衅髌?。同時結(jié)合之前的數(shù)據(jù)分析和變比試驗結(jié)果以及查閱大量資料后，推測本次諧波增大故障系互感器長期使用，配電系統(tǒng)老化故障導致電流互感器產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁飽和現(xiàn)象引起的.因互感器為整體澆筑結(jié)構(gòu)，解體困難，且公司內(nèi)部現(xiàn)有技術(shù)手段有限，未能進一步做出驗證。

4 結(jié)語

通過利用電流電壓頻譜分析技術(shù)對電動機的監(jiān)測，成功發(fā)現(xiàn)了電機供電線路中因電流互感器故障導致電流諧波升高的故障隱患。通過多種技術(shù)手段相互配合精確定位了故障部位，提前消除了電氣設備的故障隱患，保障了主機設備的可靠運行，提高了設備的綜合效率。驗證了電流電壓頻譜分析技術(shù)不僅能診斷電機本體的故障，也可準確診斷電機周邊電氣設備的故障。證明了在傳統(tǒng)的電氣預防性試驗之外，新興的電流電壓頻譜分析技術(shù)也可有效發(fā)現(xiàn)電機周邊電氣設備故障，為電氣設備日常的監(jiān)護監(jiān)測提供了一種新方法、新途徑。同時進一步驗證了綜合運用多種監(jiān)測技術(shù)對設備的監(jiān)測診斷會更加全面、更加精確，可有效的避免設備發(fā)生熱停事故，從而降低設備維護費用和事故率，提高了設備運行時間和效率，保障了企業(yè)的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。