諧波測試法在煤礦提升機罐籠振動故障診斷中的應用

申 昭

（晉煤集團寺河礦， 山西 晉城 048204）

引言

礦井提升機在地面與井下之間的人員、物資流動過程中發(fā)揮著重要的作用。礦井提升機的罐籠振動問題是事關煤礦安全生產的重要因素。從礦井提升機的工作原理來看，在其提升重物的過程中，質量變化和剛度的變化會給系統(tǒng)的固有頻率帶來一定的變化。煤礦提升機罐籠振動故障問題會給提升機的安全運行帶來一定的安全隱患。

1 應用諧波測試法進行煤礦提升機罐籠振動故障診斷中的可行性

根據煤礦提升機的工作情況，在重物提升過程中，質量變化和剛度變化所引起的系統(tǒng)固有頻率變化可以被看作是一種具有慢變參數的非線性振動系統(tǒng)。以下為煤礦提升機的運動微分方程：

式中：m（-t）為慢變質量；-t為慢變時間；g（y，-t）為非線性彈性力。在實際工作環(huán)境下，提升機鋼繩的伸長與縮短，是慢變質量的主要影響因素。提升機鋼繩的伸長與縮短，是這一設備工作狀況的反映。電力系統(tǒng)在煤礦提升機的運行過程中發(fā)揮著重要的作用。諧波問題是電力系統(tǒng)中較為常見的問題。諧波問題所引發(fā)的串聯諧振和并聯諧振問題會讓諧波問題對電力系統(tǒng)的破壞程度有所增加。諧波測試法在煤礦提升機罐籠振動故障診斷的應用，可以讓人們在煤礦領域分析變頻器對電網的影響[1]。

在煤礦提升機罐籠振動故障診斷工作中，將提升機10 kV配電室的1段進線、整流變壓器的輸入、勵磁變壓器的輸入和變頻柜的輸入、輸出問題看作是諧振測試的主要測試內容。

在對電力系統(tǒng)的諧波測試技術進行分析后可以發(fā)現，在電力系統(tǒng)諧波測試環(huán)節(jié)中，相關人員需要讓儀表測試所生成的圖表能夠反映任意一個時刻的諧波的狀態(tài)，并要對諧波電壓和諧波電流的采樣頻率進行有效控制。在對電力電子裝置改進以后，無源濾波技術在電力系統(tǒng)中得到了應用。該技術在電力領域的應用，也為諧波測試法在煤礦提升機罐籠振動故障診斷領域應用的可行性提供了一定的保障。

2 諧波測試法的應用

以某礦井所使用的提升機罐籠振動系統(tǒng)為例，該設備主要應用于礦矸石、人員、材料和大件設備的輸送。在副立井大罐籠提升系統(tǒng)的調試運行階段，人們發(fā)現，在罐籠的提升和下放過程中，罐籠會在速度為2.5～4 m/s的情況下出現聲音較大的異響和振動問題，為了調查這一故障產生的原因，對變頻器的運行情況進行全面把握，人們在副井的電控系統(tǒng)中使用了10 kV配電室和變頻器進行現場測試，并在此基礎上，對變頻器對副井提升機電動機的影響進行了分析。

2.1 基于諧波測試法的故障診斷測量方法

煤礦提升機罐籠振動故障診斷分析與整流變壓器、勵磁變壓器和變頻柜等設備之間存在著較為密切的聯系。測量工作中所使用的測試依據標準為《電能質量公用電網諧波》[2]。根據本文中所涉及到的礦井的實際情況，提升機罐籠故障診斷測量分析工作中所使用的測量設備包含了電能質量測試儀、示波器、羅氏線圈和高壓探頭等設備，測試工作需要在常溫環(huán)境下開展，測試地點為提升機配電室的主控室和開關室。諧波測試的測試內容包含了電壓總諧波畸變率、各次諧波電壓和各次諧波電流。測試點接線法是建立在諧波測試法基礎上的煤礦提升機罐籠振動故障分析方法。這一測試方法主要由確定測試點、溝通測試方法、儀器電源準備階段、儀器電源接線環(huán)節(jié)、分點測試、數據記錄和數據處理分析等多個環(huán)節(jié)組成。變頻器輸入側測試接線環(huán)節(jié)和變頻器輸出側測試接線環(huán)節(jié)是基于諧波測試法的煤礦提升機罐籠故障診斷分析中的重要環(huán)節(jié)。

在這一故障分析方式的實際應用過程中，人們可以在1段進線的測試節(jié)選環(huán)節(jié)，將供電系統(tǒng)的A、B、C三項交流電壓的PT側接入到本測試分析儀的交流電壓輸入通道端子之中，前行電流互感器的應用，可以將上述三相交流電流中的CGT二次接入與本測試分析儀的交流電流輸入通道端子之中。

在電壓波形的測量環(huán)節(jié)，將1000/1的高壓衰減探頭接入到示波器中，并要對探頭的另一端進行接地處理。在電流波形的測試環(huán)節(jié)，可以將1 A/1 mmV的羅氏線圈接入到示波器中，在這一環(huán)節(jié)中，示波器需要進行接地處理。在變頻器輸出側的測試接線環(huán)節(jié)，高壓衰減探頭的接入示波器的措施與變頻器輸入側測試接線環(huán)節(jié)的使用方式之間存在著一定的差異性。在電壓波形測量環(huán)節(jié)，高壓衰減探頭一端需要接入示波器，另一端需要進行接地處理。示波器也需要在電流波形測試環(huán)節(jié)進行接地處理。

2.2 不同提升速度下的罐籠振動測試

諧波測試法在煤礦提升機罐籠振動故障診斷中的應用離不開總的慣性力的計算工作。提升系統(tǒng)的運動部分主要由直線運動和旋轉運動兩部分組成。提升機中的提升容器、貨載提升鋼絲繩等進行直線運動的部件為提升容器。它們的速度、加速度與提升機滾筒表面速度和加速度之間存在著一致性，因而研究者在振動故障診斷分析工作進行過程中，只需對電動機轉子變位質量和電動機的估算功率進行計算，如下列公式為電動機的功率估算公式：

式中：P'為電動機的功率；k為礦井的阻力系數；Q為提升量；v為提升機加速度；ηj為減速器效率；Φ為動力系數；m為提升機的最大速度。根據相關規(guī)程的規(guī)定，在立井升降物料環(huán)節(jié)，容器的最大速度不得超過下列公式所求取的數值：

式中：H為提升機的提升高度。在本文所涉及到的案例中，罐籠測試時間為一個副井提升機的工作周期，罐籠的提升速度為2 m/s、2.8 m/s和5 m/s。由于提升機在速度為2.8 m/s的情況下的振動情況較為劇烈，因而提升機在這一速度下的運行情況成為了人們所關注的內容。

2.3 測試安全技術措施

接入電能質量分析儀的電壓通道端子和電流通道端子的順序與三相交流電的ABC相序之間需要保持一致性，接入電能質量分析儀的電壓通道和電流通道的極性也需要保持一致性。在接地方面，電能質量分析儀的接地端子應該采取可靠的接地策略。電能質量分析儀的接地端子需要采取可靠化的接地策略，在實驗過程中，相關人員也需要對各個測試點的PT值變化和CT變化進行確定，PT二次側不能處于短路狀態(tài)，CT二次側不能處于開路狀態(tài)[3]。

2.4 故障診斷結果分析

實驗過程中采用的電能質量測試儀器為HIOKI3196電能質量測試儀器，這一設備可以發(fā)揮出連續(xù)24 h在線監(jiān)測的作用，在實際應用過程中，人們也可以借助這一設備查看具體的電能質量情況。測試過程中采用的記錄方式為連續(xù)記錄，與抄表時間記錄方式比，連續(xù)記錄的時間間隔為1 s，實際的記錄過程采用的是基于閾值觸發(fā)的觸發(fā)方式。根據現場測試的數據結果，表1為罐籠在不同速度下的輸入側、輸出側的電壓波形。

表1 罐籠輸入側、輸出側的電壓波形

在對變頻器輸出的波形、波紋變化情況進行分析后可以發(fā)現，變頻器輸出的電流波形較為嚴重，整流柜、勵磁柜諧波電壓畸變率超標的問題是系統(tǒng)中存在的一大突出問題。在這一系統(tǒng)之中，諧波電流的電流值也具有著一定的穩(wěn)定性，且不會隨著負荷的變化而變化。在關掉變頻器以后，電網電壓波形在29次諧波電流消失以后得到了明顯的改善。

3 結語

通過對某煤礦副井10 kV配電室和變頻器諧波的現場測試可知，采用諧波測試法能夠快速有效得出故障診斷結論，便于全面掌握煤礦提升系統(tǒng)運行狀況，為提升系統(tǒng)的安全、可靠運行提供了寶貴經驗，具有較大的借鑒與推廣應用價值。

[1]王丹蕾，孫彥景，李德臣.諧波測試法在煤礦提升機罐籠振動故障診斷中的應用[J].中國高新技術企業(yè)，2017（1）：155-157.

[2]徐鋒.電力系統(tǒng)諧波測試與治理技術的研究與分析[J].科技與企業(yè)，2015（3）：250.

[3]程桂林，張強，章心因，等.三種基于WVH變換的間諧波測試算法的分析和比較[J].電測與儀表，2012，49（9）：10-13；23.