熱軋層冷電機負載電流在線監控技術及其應用

沈政

摘 要：熱軋層冷電機由于工作在高溫、高濕特殊環境，電機瞬間接地及卡阻概率較大，對電機負載檢測及預警具有一定的難度。通過安裝一套線在線監測診斷系統實現變頻電機電流和電壓測量，根據電流和電壓信號頻譜分析，實現負載過載事件記錄及波形記錄功能、報警功能。展示卷取區域內冷輥電機和負載的運行狀態實時監測，能夠顯示設備的信息、負荷，并根據設定的設定標準顯示相應的報警信息。

關鍵詞：在線監測;自動識別;負載電流

1 概述

2050熱軋卷取內冷輥數量總計46根，其中F7出口21根，由兩組逆變器分別控制21臺電機，卷取測量小房25根，由兩組逆變器分別控制46臺電機。從現場了解情況看，內冷輥出現故障大部分由于現場環境比較特殊，有水汽和氧化粉塵，潤滑失效所致，該類問題從隱患出現到失效有一段時間，提前進行分析有一定意義。潤滑失效原因主要為：水汽進入、氧化粉塵以及軸封密封不良。由于內冷輥區域沒有行車，更換內冷輥僅靠人工，一旦內冷輥出現異常，更換時間約3h，對于非計劃故障停機時間影響大。

2050熱軋卷取輥道電機所在系統概況如圖1所示。通過6kV/400V的整流變壓器降壓，進入可控硅整流單元，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配電柜。

2 在線監測系統

2.1 系統構成

基于電流異步電機監測診斷系統采用三電一體化（EIC）技術，由監控系統、數據采集單元、控制單元、切換單元、分析計算單元和網絡設備組成。

數據采集單元：主要完成母線電壓、電機三相電流等信號的檢測采集功能，為準確定位，每臺電機均安裝三個電流互感器。

切換單元：多通道切換測量，最大程度覆蓋監視對象。通過控制單元實現多通道間順序切換，該系統的多通道測量是通過切換每個測量通道上各自獨立的CT實現的。

控制單元：主要實現順序切換功能，防止CT二次回路開路，同時實現電機數據采集與電機匹配。

分析計算單元：對數據進行分類、分析和存儲，同時，對有效數據進行多種類多角度分析（諧波分析、譜分析、參數分析），并對典型故障進行智能化自動識別。

監控單元：用于實現電機設備狀態在線監視，各電動機電流監測數據、波形跟蹤、及時報警、事件記錄等功能。

在原內冷輥電機配電柜旁新增電氣柜，在原輥道電機配電柜內增加一排端子，電機供電電纜通過新增端子，電流采集通過新增電流互感器進行數據采集;電壓信號取自輥道電機母線電壓。

2.2 應用軟件功能

針對2050熱軋內冷輥電機及負載的在線監測，設置監測點的報警值。應用軟件的主要功能包括：數據采集功能、數據分析功能、設備狀態報警功能、狀態查詢功能、設備異常測點跟蹤功能、顯示界面定制功能、報表生成功能、遠程支持功能、通訊接口功能、數據庫管理。系統軟件構成如圖1。

2.2.1 熱軋生產線狀態監視功能

按工藝流程顯示內冷輥電機設備運行狀態，用不同顏色表示設備狀態的好壞，對設備狀態進行預警，指導操作及點檢采取應對措施，避免突發故障。

2.2.2 設備狀態報警及異常設備快速定位功能

可快速在輥道電機狀態監視畫面HMI和機組狀態細節之間進行切換，查看機組設備運行情況，定位機組故障的范圍。

2.2.3 電流頻譜分析功能

對異常測點進行特征故障頻率及幅值分析，發現問題、找出問題，并能解釋原因;多通道、多參數、多種診斷方法對比分析;提供數據回放工具，快捷捕捉設備相關數據的變化，方便分析設備狀態等。

3 電機狀態診斷

3.1 試驗臺測試

為了能夠有效獲取2050G輥道電機典型故障特征，寶鋼技術利用電修試驗臺模擬現場系統環境，通過隔離變壓器構成不接地系統，利用2050輥道下線修復變頻電機以及西門子變頻器搭建模擬試驗臺，系統原理圖如圖2。

3.2 電氣類故障診斷

3.2.1 匝間短路診斷

匝間短路是電機電氣類故障中常見的故障之一。根據MCSA的相關理論，當出現匝間短路故障時，可以預見電流頻譜中會出現電源3次諧波的特征頻率分量。

從測試的結果中可以看出：

（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，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。

I/F法作為匝間短路故障的一個輔助判據，主要通過不同頻率下電流的變化情況進行狀態監視。發生匝間短路時，通過I/F法計算的電流頻率有明顯變化。圖3為典型匝間短路故障時I/F法的特征驗證結果。

因此，利用3次諧波的特征，同時使用I/F及時間差分等方法去除掉系統環境對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構等結構件損壞而突然造成的單相接地。漸變型故障一般是由于發生了匝間短路，之后不斷放熱劣化最終導致單相接地。針對單相接地故障而言，由于檢出手段主要是針對單相接地故障末期的診斷，因此對上述兩種類型均有效。根據MCSA的相關理論，當出現單相接地故障時，可以預見電流頻譜中會出現變頻器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，同時配合趨勢管理等輔助手段，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），對母線的單相接地故障進行輔助判斷。

3.2.3 三相不平衡診斷

三相電流不平衡對電機壽命有一定的影響，連接不良主要指電機系統的電氣連接未能緊固等故障。根據MCSA的相關理論，當出現連接不良故障時，可以預見三相電流會出現很大程度的不平衡。

3.3 機械類故障診斷

3.3.1 潤滑不良/卡阻堵轉診斷

潤滑不良/卡阻堵轉故障屬于機械類故障的晚期表現，具體可體現在轉動困難。根據MCSA的相關理論，當出現潤滑不良/卡阻堵轉故障時，可以預見電流有效值會出現明顯變化。潤滑不良/卡阻堵轉導致電機過負荷時，會出現電流有效值增大的情況，三相電流同時加大，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，同時使用頻譜分析及趨勢管理等方法去除掉系統環境影響，可以有效地診斷潤滑不良/卡阻堵轉故障。

3.3.2 松動不對中診斷

松動不對中故障多體現為定子/轉子不對中及電機/負載不對中，根據MCSA的相關理論，當出現松動不對中故障時，電流頻譜中會出現轉頻相關的特征頻率分量。松動不對中故障特征體現為轉頻相關諧波分量。松動不對中故障程度不同，轉頻相關諧波分量的幅度變化不同。故障越嚴重，諧波幅度變化越大。不同工作頻率時，該特征均可被有效檢出。因此，利用電流頻譜中相關頻點的特征，同時配合趨勢管理等手段，可以有效地診斷松動不對中故障。

3.3.3 軸承損傷診斷

軸承損傷故障是電機機械類故障中常見的故障之一。軸承損傷故障屬于機械類故障的早期表現，最終會導致卡阻、不對中等多種問題。根據MCSA的相關理論，當出現軸承損傷故障時，電流頻譜中會出現轉頻相關的特征頻率分量。經過分析可以看出：

（1）軸承損傷時，轉頻相關的高次諧波分量明顯增多;

（2）對比松動不對中，頻譜上會出現更高次的轉頻相關諧波分量;

（3）不同工作頻率時，該特征均可被有效檢出。

因此，利用電流頻譜中相關頻點的特征，同時配合趨勢管理等手段，可以有效地診斷軸承損傷故障。

4 在線檢測系統實施效果分析

該在線監測系統在實際使用中對一些故障起到了預判作用，有對故障發生進行報警的，也有很多的誤報和漏報。對故障發生時進行報警的主要集中在電機接地、相間短路、和電機軸承卡死。此幾項故障一般是瞬間發生，所以很難做出預判。對故障預判和誤報漏報的都主要集中在尼龍接手損壞、輥子軸承缺油、接手螺栓松動。產生誤報主要是因為生產工藝不斷變化，使輥道的載荷、速度工作環境都會發生變化。而取的報警值和取樣區間點是一樣的，發生無報警的概率就會大大提升。比如尼龍接手局部打壞，可能不影響負載，就有漏報的可能。對于做出故障預判的，在下面介紹3個典型案例。

4.1 尼龍接手損壞

14#輥道電機從2018年5月14日開始1次、2次和3次轉頻諧波大幅上升。檢查發現尼龍接手損壞，15日更換尼龍塊后，1次、2次和3次轉頻諧波大幅降低。

4.2 軸承缺油

10#輥在2017年11月30日之前，電機總諧波在0.2～0.9范圍內波動，但從20日起，總諧波發生連續增加趨勢。通過檢查發現10號輥操作集中供油分配器出油量過小，在11月30日對10號輥操作集中供油分配器更換，更換后總諧波回復正常。

4.3 接手螺栓松動

2017年1月6日，32#輥道電機總諧波電流大，檢查發現32號輥軸承座螺栓松動，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 結論

2050G輥道在線監測系統通過對母線電壓、電機三相電流等信號的檢測采集手段，解決了G輥道在運行過程中負載電流過大的問題，尤其是經常發生故障停機的電機軸承類損傷，達到了在線監測實時報警的目的。上述結果證明了電機負載電流在線監測項目的有效性，基于此證明通過轉頻諧波分析負載大小是有意義的。由于存在誤報漏報警現象，而產生誤報漏報主要和設備的損壞程度、設備的安裝精度、設備的工作環境、報警值和取樣的區間都有一定的關系，后期對于報警值的設定和取樣點的選取還需改進。綜上所述，通過電機負載電流在線監測項目的推進及完善，大大減輕了員工的工作量，同時也降低了故障率，為在其它廠區推廣應用提供了理論和實際依據。

參考文獻：

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