熱軋層冷電機(jī)負(fù)載電流在線監(jiān)控技術(shù)及其應(yīng)用

沈政

摘 要：熱軋層冷電機(jī)由于工作在高溫、高濕特殊環(huán)境，電機(jī)瞬間接地及卡阻概率較大，對(duì)電機(jī)負(fù)載檢測(cè)及預(yù)警具有一定的難度。通過安裝一套線在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)電流和電壓測(cè)量，根據(jù)電流和電壓信號(hào)頻譜分析，實(shí)現(xiàn)負(fù)載過載事件記錄及波形記錄功能、報(bào)警功能。展示卷取區(qū)域內(nèi)冷輥電機(jī)和負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠顯示設(shè)備的信息、負(fù)荷，并根據(jù)設(shè)定的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)顯示相應(yīng)的報(bào)警信息。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè);自動(dòng)識(shí)別;負(fù)載電流

1 概述

2050熱軋卷取內(nèi)冷輥數(shù)量總計(jì)46根，其中F7出口21根，由兩組逆變器分別控制21臺(tái)電機(jī)，卷取測(cè)量小房25根，由兩組逆變器分別控制46臺(tái)電機(jī)。從現(xiàn)場(chǎng)了解情況看，內(nèi)冷輥出現(xiàn)故障大部分由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較特殊，有水汽和氧化粉塵，潤(rùn)滑失效所致，該類問題從隱患出現(xiàn)到失效有一段時(shí)間，提前進(jìn)行分析有一定意義。潤(rùn)滑失效原因主要為：水汽進(jìn)入、氧化粉塵以及軸封密封不良。由于內(nèi)冷輥區(qū)域沒有行車，更換內(nèi)冷輥僅靠人工，一旦內(nèi)冷輥出現(xiàn)異常，更換時(shí)間約3h，對(duì)于非計(jì)劃故障停機(jī)時(shí)間影響大。

2050熱軋卷取輥道電機(jī)所在系統(tǒng)概況如圖1所示。通過6kV/400V的整流變壓器降壓，進(jìn)入可控硅整流單元，整流單元輸出上直流公共母線，然后四臺(tái)SIEMENS逆變器從直流母線取電，將直流逆變成交流后送成組輥道電機(jī)配電柜。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于電流異步電機(jī)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)采用三電一體化（EIC）技術(shù)，由監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元、切換單元、分析計(jì)算單元和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

數(shù)據(jù)采集單元：主要完成母線電壓、電機(jī)三相電流等信號(hào)的檢測(cè)采集功能，為準(zhǔn)確定位，每臺(tái)電機(jī)均安裝三個(gè)電流互感器。

切換單元：多通道切換測(cè)量，最大程度覆蓋監(jiān)視對(duì)象。通過控制單元實(shí)現(xiàn)多通道間順序切換，該系統(tǒng)的多通道測(cè)量是通過切換每個(gè)測(cè)量通道上各自獨(dú)立的CT實(shí)現(xiàn)的。

控制單元：主要實(shí)現(xiàn)順序切換功能，防止CT二次回路開路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)據(jù)采集與電機(jī)匹配。

分析計(jì)算單元：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分析和存儲(chǔ)，同時(shí)，對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行多種類多角度分析（諧波分析、譜分析、參數(shù)分析），并對(duì)典型故障進(jìn)行智能化自動(dòng)識(shí)別。

監(jiān)控單元：用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)視，各電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、波形跟蹤、及時(shí)報(bào)警、事件記錄等功能。

在原內(nèi)冷輥電機(jī)配電柜旁新增電氣柜，在原輥道電機(jī)配電柜內(nèi)增加一排端子，電機(jī)供電電纜通過新增端子，電流采集通過新增電流互感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;電壓信號(hào)取自輥道電機(jī)母線電壓。

2.2 應(yīng)用軟件功能

針對(duì)2050熱軋內(nèi)冷輥電機(jī)及負(fù)載的在線監(jiān)測(cè)，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警值。應(yīng)用軟件的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)分析功能、設(shè)備狀態(tài)報(bào)警功能、狀態(tài)查詢功能、設(shè)備異常測(cè)點(diǎn)跟蹤功能、顯示界面定制功能、報(bào)表生成功能、遠(yuǎn)程支持功能、通訊接口功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理。系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖1。

2.2.1 熱軋生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)視功能

按工藝流程顯示內(nèi)冷輥電機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，用不同顏色表示設(shè)備狀態(tài)的好壞，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)操作及點(diǎn)檢采取應(yīng)對(duì)措施，避免突發(fā)故障。

2.2.2 設(shè)備狀態(tài)報(bào)警及異常設(shè)備快速定位功能

可快速在輥道電機(jī)狀態(tài)監(jiān)視畫面HMI和機(jī)組狀態(tài)細(xì)節(jié)之間進(jìn)行切換，查看機(jī)組設(shè)備運(yùn)行情況，定位機(jī)組故障的范圍。

2.2.3 電流頻譜分析功能

對(duì)異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行特征故障頻率及幅值分析，發(fā)現(xiàn)問題、找出問題，并能解釋原因;多通道、多參數(shù)、多種診斷方法對(duì)比分析;提供數(shù)據(jù)回放工具，快捷捕捉設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，方便分析設(shè)備狀態(tài)等。

3 電機(jī)狀態(tài)診斷

3.1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

為了能夠有效獲取2050G輥道電機(jī)典型故障特征，寶鋼技術(shù)利用電修試驗(yàn)臺(tái)模擬現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)環(huán)境，通過隔離變壓器構(gòu)成不接地系統(tǒng)，利用2050輥道下線修復(fù)變頻電機(jī)以及西門子變頻器搭建模擬試驗(yàn)臺(tái)，系統(tǒng)原理圖如圖2。

3.2 電氣類故障診斷

3.2.1 匝間短路診斷

匝間短路是電機(jī)電氣類故障中常見的故障之一。根據(jù)MCSA的相關(guān)理論，當(dāng)出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，可以預(yù)見電流頻譜中會(huì)出現(xiàn)電源3次諧波的特征頻率分量。

從測(cè)試的結(jié)果中可以看出：

（1）匝間短路劣化程度基本上與故障特征成正比例關(guān)系;

（2）3匝以下的匝間短路故障特征輕微;

（3）6匝以上故障時(shí)，3次諧波變化容易檢出;

（4）故障特征在三相上均有明顯表現(xiàn)。

I/F法作為匝間短路故障的一個(gè)輔助判據(jù)，主要通過不同頻率下電流的變化情況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視。發(fā)生匝間短路時(shí)，通過I/F法計(jì)算的電流頻率有明顯變化。圖3為典型匝間短路故障時(shí)I/F法的特征驗(yàn)證結(jié)果。

因此，利用3次諧波的特征，同時(shí)使用I/F及時(shí)間差分等方法去除掉系統(tǒng)環(huán)境對(duì)3次諧波的影響，可以有效地診斷匝間短路故障。

3.2.2 單相接地（絕緣不良）診斷

單相接地是電機(jī)電氣類故障中常見的故障之一。通常，單相接地的故障路徑可分為突變型和漸變型。突變型故障一般是由于密封結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)件損壞而突然造成的單相接地。漸變型故障一般是由于發(fā)生了匝間短路，之后不斷放熱劣化最終導(dǎo)致單相接地。針對(duì)單相接地故障而言，由于檢出手段主要是針對(duì)單相接地故障末期的診斷，因此對(duì)上述兩種類型均有效。根據(jù)MCSA的相關(guān)理論，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，可以預(yù)見電流頻譜中會(huì)出現(xiàn)變頻器PWM 3次諧波的特征頻率分量。

因此，利用變頻器PWM 3次諧波的特征，同時(shí)配合趨勢(shì)管理等輔助手段，可以有效地診斷單相接地故障。另外，可通過相電壓的變化（電壓不平衡度），對(duì)母線的單相接地故障進(jìn)行輔助判斷。

3.2.3 三相不平衡診斷

三相電流不平衡對(duì)電機(jī)壽命有一定的影響，連接不良主要指電機(jī)系統(tǒng)的電氣連接未能緊固等故障。根據(jù)MCSA的相關(guān)理論，當(dāng)出現(xiàn)連接不良故障時(shí)，可以預(yù)見三相電流會(huì)出現(xiàn)很大程度的不平衡。

3.3 機(jī)械類故障診斷

3.3.1 潤(rùn)滑不良/卡阻堵轉(zhuǎn)診斷

潤(rùn)滑不良/卡阻堵轉(zhuǎn)故障屬于機(jī)械類故障的晚期表現(xiàn)，具體可體現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)困難。根據(jù)MCSA的相關(guān)理論，當(dāng)出現(xiàn)潤(rùn)滑不良/卡阻堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，可以預(yù)見電流有效值會(huì)出現(xiàn)明顯變化。潤(rùn)滑不良/卡阻堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致電機(jī)過負(fù)荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流有效值增大的情況，三相電流同時(shí)加大，不存在不平衡情況，在不同頻率下，電流有效值變化特征一致。

因此，利用電流有效值變化的特征，同時(shí)使用頻譜分析及趨勢(shì)管理等方法去除掉系統(tǒng)環(huán)境影響，可以有效地診斷潤(rùn)滑不良/卡阻堵轉(zhuǎn)故障。

3.3.2 松動(dòng)不對(duì)中診斷

松動(dòng)不對(duì)中故障多體現(xiàn)為定子/轉(zhuǎn)子不對(duì)中及電機(jī)/負(fù)載不對(duì)中，根據(jù)MCSA的相關(guān)理論，當(dāng)出現(xiàn)松動(dòng)不對(duì)中故障時(shí)，電流頻譜中會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻相關(guān)的特征頻率分量。松動(dòng)不對(duì)中故障特征體現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻相關(guān)諧波分量。松動(dòng)不對(duì)中故障程度不同，轉(zhuǎn)頻相關(guān)諧波分量的幅度變化不同。故障越嚴(yán)重，諧波幅度變化越大。不同工作頻率時(shí)，該特征均可被有效檢出。因此，利用電流頻譜中相關(guān)頻點(diǎn)的特征，同時(shí)配合趨勢(shì)管理等手段，可以有效地診斷松動(dòng)不對(duì)中故障。

3.3.3 軸承損傷診斷

軸承損傷故障是電機(jī)機(jī)械類故障中常見的故障之一。軸承損傷故障屬于機(jī)械類故障的早期表現(xiàn)，最終會(huì)導(dǎo)致卡阻、不對(duì)中等多種問題。根據(jù)MCSA的相關(guān)理論，當(dāng)出現(xiàn)軸承損傷故障時(shí)，電流頻譜中會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻相關(guān)的特征頻率分量。經(jīng)過分析可以看出：

（1）軸承損傷時(shí)，轉(zhuǎn)頻相關(guān)的高次諧波分量明顯增多;

（2）對(duì)比松動(dòng)不對(duì)中，頻譜上會(huì)出現(xiàn)更高次的轉(zhuǎn)頻相關(guān)諧波分量;

（3）不同工作頻率時(shí)，該特征均可被有效檢出。

因此，利用電流頻譜中相關(guān)頻點(diǎn)的特征，同時(shí)配合趨勢(shì)管理等手段，可以有效地診斷軸承損傷故障。

4 在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)施效果分析

該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際使用中對(duì)一些故障起到了預(yù)判作用，有對(duì)故障發(fā)生進(jìn)行報(bào)警的，也有很多的誤報(bào)和漏報(bào)。對(duì)故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行報(bào)警的主要集中在電機(jī)接地、相間短路、和電機(jī)軸承卡死。此幾項(xiàng)故障一般是瞬間發(fā)生，所以很難做出預(yù)判。對(duì)故障預(yù)判和誤報(bào)漏報(bào)的都主要集中在尼龍接手損壞、輥?zhàn)虞S承缺油、接手螺栓松動(dòng)。產(chǎn)生誤報(bào)主要是因?yàn)樯a(chǎn)工藝不斷變化，使輥道的載荷、速度工作環(huán)境都會(huì)發(fā)生變化。而取的報(bào)警值和取樣區(qū)間點(diǎn)是一樣的，發(fā)生無報(bào)警的概率就會(huì)大大提升。比如尼龍接手局部打壞，可能不影響負(fù)載，就有漏報(bào)的可能。對(duì)于做出故障預(yù)判的，在下面介紹3個(gè)典型案例。

4.1 尼龍接手損壞

14#輥道電機(jī)從2018年5月14日開始1次、2次和3次轉(zhuǎn)頻諧波大幅上升。檢查發(fā)現(xiàn)尼龍接手損壞，15日更換尼龍塊后，1次、2次和3次轉(zhuǎn)頻諧波大幅降低。

4.2 軸承缺油

10#輥在2017年11月30日之前，電機(jī)總諧波在0.2～0.9范圍內(nèi)波動(dòng)，但從20日起，總諧波發(fā)生連續(xù)增加趨勢(shì)。通過檢查發(fā)現(xiàn)10號(hào)輥操作集中供油分配器出油量過小，在11月30日對(duì)10號(hào)輥操作集中供油分配器更換，更換后總諧波回復(fù)正常。

4.3 接手螺栓松動(dòng)

2017年1月6日，32#輥道電機(jī)總諧波電流大，檢查發(fā)現(xiàn)32號(hào)輥軸承座螺栓松動(dòng)，于1月9日緊固處理，處理后，諧波明顯下降，均值由檢修前1.12A，下降到0.25A。

5 結(jié)論

2050G輥道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)母線電壓、電機(jī)三相電流等信號(hào)的檢測(cè)采集手段，解決了G輥道在運(yùn)行過程中負(fù)載電流過大的問題，尤其是經(jīng)常發(fā)生故障停機(jī)的電機(jī)軸承類損傷，達(dá)到了在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)報(bào)警的目的。上述結(jié)果證明了電機(jī)負(fù)載電流在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的有效性，基于此證明通過轉(zhuǎn)頻諧波分析負(fù)載大小是有意義的。由于存在誤報(bào)漏報(bào)警現(xiàn)象，而產(chǎn)生誤報(bào)漏報(bào)主要和設(shè)備的損壞程度、設(shè)備的安裝精度、設(shè)備的工作環(huán)境、報(bào)警值和取樣的區(qū)間都有一定的關(guān)系，后期對(duì)于報(bào)警值的設(shè)定和取樣點(diǎn)的選取還需改進(jìn)。綜上所述，通過電機(jī)負(fù)載電流在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的推進(jìn)及完善，大大減輕了員工的工作量，同時(shí)也降低了故障率，為在其它廠區(qū)推廣應(yīng)用提供了理論和實(shí)際依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫曙光，趙黎媛，杜太行，等.基于電機(jī)電流分析的萬能式斷路器機(jī)械故障診斷[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（04）：952-960.