電流信號分析法在油田高壓電機監測中的應用

（中石化勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257000）

電流信號分析法在油田高壓電機監測中的應用

張 冉，趙 寧，邵長彬，李建鵬，曾蕾蕾

（中石化勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257000）

將電機電流信號分析法應用于油田高壓電機的監測，通過理論分析和實驗驗證了該方法的準確性，為油田高壓電機的監測測提供了有效的手段。

高壓電機；電流信號分析法；監測

一、引言

注水采油是國內油田廣泛采用的二次采油方法。作為注采工藝的主要設備，高壓電機的數量不斷增加，單機容量也不斷攀升。勝利油田在用高壓電機253臺，平均單機容量2 000kW。高壓電機的故障會影響注水系統的正常運行、危及人身安全、造成巨大的經濟損失。對高壓電機進行狀態檢測、故障診斷及災害預警，可以有效降低高壓電機故障率，減少突發事故造成的經濟損失，降低維修成本。

二、電機電流信號分析法概述

電機電流信號分析法，簡稱MCSA。通過分析電機定子電流，研究其特征信號與故障的對應關系，作為一種故障診斷的新方法，使用在一些其他監測手段不便實施或不易發現問題的場合。MCSA具有測試便利、信息集成度高、傳動路徑直接等特點，可以檢測高壓電機的輸入引線狀態、定子繞組狀態、轉子工作狀態、氣隙靜動態偏心率、耦合器狀態（包括直接、皮帶和齒輪耦合系統）、負載問題和齒輪狀態等。

三、電流信號分析法在油田高壓電機監測中的應用

1．高壓水電機故障特征頻率

由于MCSA和振動分析具有類似的規律，因此絕大部分故障具有良好的可識別性。

(1)極通過頻率（ppf）邊帶在線頻的周圍預示轉子條故障，且峰值越高，故障的嚴重性也越大。

(2)ppf的諧波邊帶時常與鑄造氣孔或轉子條松動有關。

(3)在線頻峰值周圍產生“凸起噪聲平臺”的非ppf邊帶，通常與驅動負載松動或其他驅動問題有關。

(4)“凸起噪聲平臺”信號與松弛或空穴現象相關。

(5)電壓中顯示的峰值與電氣問題相關，例如輸入電源的電流中顯示的峰值只與繞組和機械故障有關。

(6)與轉速和線頻無關的成對峰值通常與軸承問題相關。

2．注水電機供電電源的監測與評價

(1)過電壓或低電壓，或者電壓與銘牌的偏差。在供電電壓上的限度為±10%銘牌電壓，最好在±5%之內。與銘牌的偏差將會對電機運行特性產生影響。

(2)諧波畸變通常由電子整流系統產生，在電機內產生正序和負序的旋轉磁場，引起電機定子和轉子過熱，因此對于電壓諧波，推薦限值為THD（總諧波失真）的5%，而對于電流諧波，根據IEEE標準519，推薦限值為THD的3%。

3．轉子分析

MCSA的基本能力之一就是轉子分析。轉子條斷裂、靜態偏心和動態偏心是MSCA可以評估轉子問題的三種基本類型。轉子條斷裂通常被認為是因為基頻附近存在滑差頻率邊帶，當這些邊帶達到或超過-35dB（正常應低于35dB）時，認為檢測出故障。例如一臺60Hz電機系統中，轉速1 760r/min，其旋轉頻率為29．33Hz。同步頻率為30Hz，那么滑差頻率為2．68Hz。如果2．68Hz邊帶出現在60Hz頻譜峰值左右，并有-40dB大小，那么轉子就存在斷條。

靜態偏心可以在高頻頻譜中確定。靜態偏心發生在中心頻率CF（CF定義為：轉子條數×轉頻，定子槽數×轉頻也被歸納到CF）。CF=轉頻（RF）×轉子條數（RB），有線頻的N倍邊帶，其中N是奇整數。例如前面提到的1 760r/min電機，已知RB=47，其基本頻率將是29．33×47=1 378．5Hz，若存在靜態偏心，則CF有60Hz、180Hz等邊帶。動態偏心與靜態偏心不同的是，在靜態偏心基本頻率邊帶左右也有轉頻邊帶。表1表明轉子裂度狀態基于dB值的峰值電流和ppf邊帶差別。

表1 轉子狀態評價

4．定子分析

對電機繞組進行故障診斷，首先確定定子槽通過頻率（SP）。CF等于定子槽數乘以轉頻。當SP邊帶出現在CF左右時表明存在故障。例如，29．33Hz（轉頻）×42（槽）=1 231．9（CF）。如果CF有轉頻邊帶，那么定子就存在機械的或電氣的劣化。通過確定RB×RS中心頻率，可以判斷機械不平衡，47（RB）×29．33Hz=1 378．5。定子典型故障頻譜如表2所示。

表2 電機定子故障特征

四、MCSA檢測案例

1．測試方法

采用測試儀器ATPOL對電機的電壓電流進行采集，測試過程中要注意以下幾項。

(1)確認測量模式處于相—相測量方式。

(2)盡量準確獲取電機參數，包括名牌轉速、額定電壓、電流和功率，此外軸承數據和定轉子槽數有助于更準確地對注水電機進行故障診斷。

(3)電流測試時，保證電流流向與電流鉗標定正方向一致，如果測試系統超過600V，需通過CT和PT連接，這時要正確輸入CT和PT的變比。

(4)使用“Setup”按鈕，確定電壓和電流正確的連接。三相相位差約為120°。

(5)采集10s電壓和電流數據，檢查低頻解調電流，對轉子和負載相關的運行狀態進行故障診斷，檢查高頻解調電流和電壓，診斷定子繞組和機械相關的問題。

2．檢測實例

對勝利油田某臺高壓電機進行了MCSA檢測，采集了電機三相電壓電流信號，對數據進行了傅立葉變換和解調分析，發現電機電流存在明顯的諧波畸變現象，原始電流波形和FFT波形如圖1（a）、（b）所示。低頻解調電流的分析表明，轉子可能存在斷條現象。檢測人員將電機轉子抽出進行外觀檢查和電路測試，在轉子靠近端環處的導條發現了明顯的斷裂，驗證了檢測結果的準確性。在電機修理廠對該轉子進行了維修之后重新進行了測試，結果顯示正常。

圖1 電機電流診斷波形

五、結論

基于MCSA的高壓電機監測技術相對于其他診斷技術而言，電信號采集更方便、使用頻率范圍更寬。通過對電機的電信號分析，可以快速準確地對高壓電機電氣和機械方面存在的故障進行提前預警，從而保障注水系統的正常運行。

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