基于電流電壓頻譜的互感器諧波故障診斷

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(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)和突發(fā)事故檢測(cè)外，在運(yùn)行時(shí)無其他監(jiān)測(cè)手段。通過對(duì)用電設(shè)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(shè)備事故的發(fā)生，保障了公司正常的生產(chǎn)運(yùn)行，驗(yàn)證了通過電流電壓頻譜分析技術(shù)監(jiān)測(cè)電流互感器工作狀態(tài)的可行性。

1 電機(jī)電信號(hào)（電流電壓）頻譜分析技術(shù)

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

但有時(shí)導(dǎo)致電機(jī)故障的原因并不僅僅局限于電機(jī)自身，其外部供電系統(tǒng)的故障也可導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行異常。在理想狀況，外部三相供電電源應(yīng)完全平衡，電壓和電流是完美的正弦波形，但實(shí)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(duì)的完美和平衡。這也就導(dǎo)致了電機(jī)會(huì)因外部供電問題而產(chǎn)生故障，因此在對(duì)定子電流進(jìn)行頻域分析的基礎(chǔ)上，也可利用同一時(shí)刻的電壓信號(hào)，利用時(shí)間波形和高階頻譜檢測(cè)技術(shù)，來評(píng)價(jià)外部供電電源的狀態(tài)。隨著時(shí)代的發(fā)展，單純的電流或電壓的頻域、時(shí)域分析已經(jīng)不能滿足對(duì)電機(jī)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(shì)引申出新的電機(jī)電信號(hào)分析診斷技術(shù)[1]。即采集電機(jī)負(fù)載時(shí)的電流、電壓信號(hào)，利用時(shí)域和頻域?qū)﹄姍C(jī)狀態(tài)進(jìn)行綜合的分析和診斷。動(dòng)態(tài)分析和判斷電機(jī)問題，利用趨勢(shì)分析的方法，分析輸入電源的健康狀態(tài)、電機(jī)定子繞組的健康狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)子的健康狀態(tài)、電機(jī)的氣隙靜態(tài)和動(dòng)態(tài)偏心率、電機(jī)系統(tǒng)負(fù)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(jī)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(jì)算公式為：

式中：Bm為鐵心內(nèi)部最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；Hm為鐵心內(nèi)部磁場強(qiáng)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(dǎo)率與相對(duì)磁導(dǎo)率之積；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)；L 為平均磁路長度；Im為勵(lì)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(duì)外反應(yīng)電流變化情況。同時(shí)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(shí)狀態(tài)下的飽和，并且會(huì)隨時(shí)間的變化逐漸退出飽和狀態(tài)。其特點(diǎn)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(huì)隨時(shí)間的變化而變化，一直處于穩(wěn)定飽和狀態(tài)。其特點(diǎn)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(jī)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(duì)電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)正弦波電壓進(jìn)入到非感性的用電器上時(shí)，用電器的輸入電流與輸入電壓的波形不一致，就會(huì)發(fā)生畸變。然而由于用電器是與整個(gè)電網(wǎng)相連接，發(fā)生畸變的電流就會(huì)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(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障源。

含有大量諧波的電流對(duì)電網(wǎng)是一種嚴(yán)重污染，危害十分嚴(yán)重，可以使用電設(shè)備自身的工作環(huán)境發(fā)生惡化，同時(shí)也會(huì)對(duì)周圍相關(guān)聯(lián)的其他用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。不僅使電能的傳輸和利用的效率下降，還會(huì)讓電氣設(shè)備產(chǎn)生過熱、振動(dòng)值升高和噪聲異常，甚至導(dǎo)致設(shè)備異常老化，縮短設(shè)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(shè)備參數(shù)及數(shù)據(jù)采集

所監(jiān)測(cè)電機(jī)為公司動(dòng)力部空壓機(jī)站所屬高壓電機(jī)（額定功率1750 kW，電壓等級(jí)10 kV），所帶負(fù)載為大流量空氣壓縮機(jī)，電機(jī)工況一直處于工頻穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

電機(jī)電流電壓頻譜分析數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位于高配室電機(jī)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(hào)數(shù)據(jù)。采集時(shí)長約1 min，正常監(jiān)測(cè)周期為每月1 次。

3.2 電流諧波故障的發(fā)現(xiàn)

在對(duì)動(dòng)力部空壓機(jī)站所屬高壓電機(jī)的電流電壓數(shù)據(jù)例行監(jiān)測(cè)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其5#高壓電機(jī)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(dá)到14%遠(yuǎn)超過GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》“10 kV 電網(wǎng)標(biāo)稱電流總諧波畸變率應(yīng)不超過3%”[3]的規(guī)定，同時(shí)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(yán)重的故障隱患。此時(shí)電機(jī)雖在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但應(yīng)立即停機(jī)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(cè)，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?jiǎng)恿Σ靠諌赫荆髮⒃摳邏弘姍C(jī)停機(jī)，并配合對(duì)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(jī)站電機(jī)系10 kV 高壓電機(jī)，由動(dòng)力部35/10 kV變壓器提供總電源，進(jìn)入高壓配電室后再由高壓母線再向各電機(jī)分別供電?，F(xiàn)場高配室內(nèi)為三段式控制柜，電機(jī)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(shí)際情況梳理出以下4 類設(shè)備的故障可導(dǎo)致電機(jī)電流諧波的增大：①變壓器故障；②電機(jī)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(shè)備故障干擾。

針對(duì)上述4 條可能導(dǎo)致電機(jī)電流諧波增大的故障原因，分別制定了相應(yīng)的排查驗(yàn)證方案。首先對(duì)同線路其他設(shè)備的情況進(jìn)行電流電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)檢查，驗(yàn)證其他電氣設(shè)備的運(yùn)行是否對(duì)該電機(jī)諧波增大產(chǎn)生干擾。經(jīng)過與同時(shí)段其他電機(jī)的電流電壓頻譜數(shù)據(jù)的比對(duì)，同時(shí)段同母排供電的其他電機(jī)電流諧波畸變均在1%左右，可基本排除供電線路上其他設(shè)備故障干擾的可能。然后利用機(jī)械振動(dòng)頻譜和電機(jī)離線綜合測(cè)試儀對(duì)該電機(jī)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估電機(jī)健康狀態(tài)，機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)首先對(duì)運(yùn)行的5#電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，監(jiān)測(cè)結(jié)果：電機(jī)振動(dòng)值正常，無異常振動(dòng)頻率。于是協(xié)調(diào)空壓站將5#電機(jī)停機(jī)，使用電機(jī)離線測(cè)試儀對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，離線評(píng)估結(jié)果：電機(jī)絕緣和直阻指標(biāo)均在正常范圍，無匝間和相間短路情況，因此排除電機(jī)故障導(dǎo)致的電流諧波增大。

完成上述排查工作后，協(xié)調(diào)空壓機(jī)站對(duì)直接向5#電機(jī)供電的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)證是否為變壓器故障導(dǎo)致的電機(jī)電流諧波增大。將變壓器退出運(yùn)行后進(jìn)行絕緣、變比、直阻等檢測(cè)。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(cè)標(biāo)準(zhǔn)：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(dǎo)致的電機(jī)電流諧波升高。

至此高壓互感器故障的可能性進(jìn)一步加大，最后確認(rèn)為故障部位，決定對(duì)電機(jī)的高壓電流互感器進(jìn)行特性試驗(yàn)，驗(yàn)證是否為互感器故障導(dǎo)致的電機(jī)諧波升高。遂將該電機(jī)配電柜內(nèi)的3臺(tái)電流互感器（型號(hào)LZZBJ9-10，額定變比200/5 A，10P 級(jí)。2014 年7 月生產(chǎn)）送檢試驗(yàn)。經(jīng)過變比試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)送檢的3 臺(tái)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(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以判定本次5#電機(jī)的電流諧波異常升高原因是該電機(jī)配電柜內(nèi)A相電流互感器故障，于是建議動(dòng)力部將存在問題的電流互感器更換。更換互感器后，再次對(duì)運(yùn)行中的5#電機(jī)進(jìn)行電流電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析，5#電機(jī)電流諧波由14%降至1.2%（表2），電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)正常。證實(shí)了本次電流諧波升高是由電流互感器故障導(dǎo)致。

表2 電流互感器更換前后諧波量對(duì)比 %

3.4 原因推斷

經(jīng)向有關(guān)人員問詢并查閱相關(guān)設(shè)備檔案，了解到該電流互感器在2015 年4 月投入使用前進(jìn)行過變比及伏安特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。連續(xù)運(yùn)行至今已達(dá)7 年，期間電流互感器本體未進(jìn)行過檢測(cè)和維修。為探究故障原因決定對(duì)故障電流互感器使用直流電阻測(cè)試儀的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其阻值較其他正?；ジ衅髌?。同時(shí)結(jié)合之前的數(shù)據(jù)分析和變比試驗(yàn)結(jié)果以及查閱大量資料后，推測(cè)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(dǎo)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(jìn)一步做出驗(yàn)證。

4 結(jié)語

通過利用電流電壓頻譜分析技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)，成功發(fā)現(xiàn)了電機(jī)供電線路中因電流互感器故障導(dǎo)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(shè)備的故障隱患，保障了主機(jī)設(shè)備的可靠運(yùn)行，提高了設(shè)備的綜合效率。驗(yàn)證了電流電壓頻譜分析技術(shù)不僅能診斷電機(jī)本體的故障，也可準(zhǔn)確診斷電機(jī)周邊電氣設(shè)備的故障。證明了在傳統(tǒng)的電氣預(yù)防性試驗(yàn)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(jī)周邊電氣設(shè)備故障，為電氣設(shè)備日常的監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)提供了一種新方法、新途徑。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了綜合運(yùn)用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷會(huì)更加全面、更加精確，可有效的避免設(shè)備發(fā)生熱停事故，從而降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和事故率，提高了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和效率，保障了企業(yè)的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。