基于動態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護技術(shù)在電機中的應(yīng)用研究

彭長征++郝富強

摘 要：該文以電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護技術(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、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，提出了基于動態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護平臺的概念，彌補了電氣信息和機械信息之間的斷層，經(jīng)過在海上平臺原有外水泵電機中的應(yīng)用，得到了較完整的電機狀態(tài)信息，為現(xiàn)場人員的預(yù)測性維護工作提供了很大幫助，為其他重要電氣設(shè)備的日常維護提供了參考。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測 動態(tài)模型 原油外輸泵電機

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)防性試驗的方法，該方法體現(xiàn)出一定的滯后性，其不僅需要在試驗時停電，而且試驗結(jié)果無法將設(shè)備運行狀態(tài)下的絕緣情況真實、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、電動機以及電纜和斷路器等相關(guān)的設(shè)備。該文就從動態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護技術(shù)在電機領(lǐng)域的應(yīng)用研究入手，分析如何加強電氣設(shè)備的預(yù)測性維護水平。

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)測主要停留在兩個水平，純電氣的保護和純機械的狀態(tài)監(jiān)測。

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

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

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

純機械的狀態(tài)監(jiān)測主要集中在振動監(jiān)測上，通過在電機軸承座上加裝加速度探頭，采集后的振動信號經(jīng)過分析，得出電機的相應(yīng)的機械故障，可以實現(xiàn)事后維修為預(yù)測性維修。缺點是需要的振動理論知識高，并且對于電機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)備運行時加裝探頭和敷設(shè)電纜，也對現(xiàn)場的維護帶來了不便，也就造成了現(xiàn)場運行維護人員對純機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的推廣度并不高的現(xiàn)狀。

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

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

在動態(tài)模型技術(shù)中，變工況下三相系統(tǒng)期望的動態(tài)模型，比如負(fù)載，是用電動機異常情況下測量得到的動態(tài)行為進行確定和比較的。系統(tǒng)首先對電動機進行一段時間的學(xué)習(xí)，獲取并處理實時來自電動機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)識別算法進行處理，從而計算出期望的動態(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)的振動和電流特征分析形成對照，這動態(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；同時系統(tǒng)還篩選出期望與實際行為之間的差異，并僅對由系統(tǒng)所生成的異?，F(xiàn)象進行強化，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數(shù)據(jù)庫或記錄的需要，也無需專業(yè)人員費時費力的采集數(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，包括機械、電氣和拖動系統(tǒng)的故障。

基于動態(tài)模型的電機綜合性預(yù)防維護平臺數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

運行與檢查：在此模式下，快速檢查電動機上的所有連接，確定相序、以及電動機與被拖動設(shè)備相連并正在運行。同時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)：主要包括電動機在正常運行空曠下的行為學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程包括實現(xiàn)設(shè)置好的數(shù)據(jù)采集循環(huán)次數(shù)和數(shù)據(jù)分析時間。一旦達(dá)到了預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)，系統(tǒng)就會進一步對采集和預(yù)處理的數(shù)據(jù)進行深入加工，從而得到一個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是由代表著實際帶載工況下的電動機行為的一個數(shù)據(jù)集所組成；為了能充分覆蓋一個電動機系統(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：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)庫而自動改進提高它對電動機特性的預(yù)測。在改進模式下，數(shù)據(jù)庫是根據(jù)不同的負(fù)載和供電線路情況而進行更新的。改進模式的持續(xù)時間決定于數(shù)據(jù)菜單路徑設(shè)置的改進迭代次數(shù)。

報警：此處的報警主要是針對各種故障而產(chǎn)生的報警信息。報警信息以報警碼的形式存在，用戶通過查找報警碼表來找到報警的具體原因，找出到底是電氣故障，還是機械故障，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。

每臺電機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)自動給出了基礎(chǔ)松動、不平衡、風(fēng)機頁面故障等問題，并且給出了需要解決的時間區(qū)間，為現(xiàn)場的預(yù)測性維護提供了電氣和機械方面的指導(dǎo)性意見，方便實用。

3 結(jié)語

基于動態(tài)模型的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護技術(shù)避免了機械和電氣專業(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機進行監(jiān)測，當(dāng)某臺電動機（甚至與之相關(guān)聯(lián)的機械設(shè)備）性能開始下降時，即可提供清晰明確的只是，三個電流互感器和三個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)進行監(jiān)測和報警，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)測性維護水平。

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