諧波法電氣設備帶電狀態故障預警智能診斷系統的分析與應用

王定乾

（晉能控股煤業集團鑫海公司，山西 沁水 048000）

1 項目概況

給煤礦一類負荷供電要保障設備的連續運行，鄭莊礦作為高瓦斯礦井，其設備檢修尤為重要，例如：地面主扇，通過倒機檢修，平時只有巡檢設備的電流、聲音等作為設備完好的依據，一旦發生故障后果比較嚴重。如對設備進行過度維修，雖然保證了設備連續穩定運行，但導致設備運行成本居高不下；如果繼續按照目前的傳統管理模式運行，是有可能因為設備監測與管理手段落后，導致防不勝防的異常突發事故發生。

鄭莊礦機電設備傳統的維護是以定期停機檢測、定期停機維修為主，而停機后檢測不能真正反映其實際運行狀態，可見，定期檢測和定期維修都不是最完美的保養策略。于是人們提出了“狀態監測”“按需維修”的概念[1]，即根據設備狀態進行維修保養。“狀態監測”“按需維修”，不但能大幅降低維保成本、節約維保時間、減少資源浪費，同時也能延長設備使用壽命，減少人為故障。但“狀態監測”“按需維修”策略一直沒能獲得推廣應用。

鑒于此，結合鄭莊礦的實際情況，尋求一種在不停電、不停機狀態下對系統運行狀況進行狀態監測、對設備故障或劣化狀態進行預判、進而對設備故障建立預警機制的新技術、新設備，并在該礦加以應用，就顯得尤為重要和迫切。

2 帶電狀態故障預警檢測智能診斷系統的開發目標和內容

通過對煤礦機電設備健康狀態的定期檢測，建立起符合煤礦實際情況的機電設備檢測標準體系和狀態檢修維護的管理體系，完善煤礦機電設備檢修維護管理制度，實現由“定期檢測、定期檢修”向“狀態監測、按需檢修”的轉變，提升煤礦機電設備的管理水平。

對礦井設備的運行情況進行全面檢測和預警是煤礦機電設備管理的重中之重，所以本項目在吸收國內外各種設備狀態維修與檢測設備及系統的經驗基礎上，擬采用“諧波法電氣設備帶電狀態故障預警檢測智能診斷系統”，針對該礦一定范圍內的機電設備健康狀況進行全生命周期性跟蹤管理。

利用驅動電氣設備在工作過程中，不同部件故障特征和劣化特征產生的對驅動電流擾動而引起電磁場變化的原理，開發礦用本安型諧波診斷設備，構建基于諧波分析技術的礦井設備智能劣化診斷系統。通過定期、連續檢測，積累樣本數據，對設備狀態進行趨勢管理，以量化形式揭示潛在故障的發生、發展和轉移規律，智能診斷設備故障原因與故障嚴重程度，為提高應急管理水平和加強設備維保管理提供重要參考建議。

3 YGX1-12礦用本安型故障諧波檢測儀

3.1 系統的組成和原理

YGX1-12礦用本安型故障諧波檢測儀設備狀態數據診斷系統主要由YGX1-12型便攜式主機及傳感器、數據分析系統、遠程專家診斷系統等部分組成，該設備結構框圖如下頁圖1所示。該設備采用非接觸式測量方式，檢測作業時不需要被測設備停電。可對電動機、變頻器、變壓器、不間斷電源等設備進行工作諧波檢測并存儲數據。作為原始數據用于地面計算機對被檢設備的可能性故障進行事前數據庫對比分析，以實現對被檢設備的預期故障判斷。

圖1 結構框圖

3.2 功能分析

檢測評估被監測設備的劣化部位及劣化值；檢測評估設備的運行狀況及潛在的隱患；預測評估設備的剩余壽命，提前做好零部件的更換工作；分析設備產生故障的各類因素，為安全運行提供更好的依據。

3.3 主要技術規格及參數

外觀尺寸為322 mm×275 mm×138 mm；質量≤6 kg；本安參數為Uo=15 V、Io=1.6 A；防護等級為IP54；供電電池為10節18670型金屬氫化物鎳電池DC 1.2 V 4 500 mAh串聯；電源適配器為100~220 V/19.6 V；諧波感應器耐電壓≤6 000 V；基波范圍為20~120 Hz；探測諧波為2~40次；非接觸有效檢測距離范圍優于5 cm；非接觸有效測試夾角范圍優于35°；分析諧波為2~40次；負載容量大于1 kW，電流大于2 A；額定電壓為DC 12 V；工作電流≤500 mA；工作電流為供電直流10.5~15 V范圍[2]。

4 工業性試驗

從2018年5月開始，采用YGX1-12礦用本安型故障諧波檢測儀在鄭莊煤礦井上下機電設備建立了一套煤礦帶電運行機電設備狀態監測、故障預警、智能診斷系統。從2018年6月—2018年12月，該YGX1-12礦用本安型故障諧波檢測儀設備狀態數據診斷系統已在鄭莊煤礦進行了工業性試驗6個月。該設備系統已連續無故障運行時間6個月，系統運行情況安全穩定。

以選煤廠178主電機為對象，將諧波法故障預警智能診斷系統的應用進行分析闡述。178主電機功率為132 kW，電壓為AC380 V，采用YGX1-12型故障諧波檢測儀進行第一次診斷時的報告書如表1所示。

表1 第一次診斷報告書

從檢測報告可知：該設備轉子、軸承、固定（裝置）項異常劣化比例達到87.3%，軸承損壞、異物附著項異常劣化比例達到85.3%，回轉軸異常、接觸部磨損項異常劣化比例達到83.4%，這充分說明178主電機負載部軸承受力存在不平衡振動，軸承或有磨損。針對這一情況，對該設備在一周內做點檢調整，調整后進行第二次診斷，檢測報告如表2所示。數據表明第一次項異常劣化項目的數據分析降低到77.2%、65.4%、54.7%，設備軸承不平衡振動現象明顯好轉。

表2 第二次診斷報告書

5 應用效果分析

該設備狀態數據診斷系統應用表現出了以下優點：可同時檢測出機械和電氣部分的異常和劣化問題；可預測出劣化部位及其中壽命；可非接觸、帶電進行診斷；可檢測發電機/電動機的效率；可在帶電狀態下，診斷出發電機/電動機繞組的初期絕緣劣化；最高診斷精度可達95%。

該設備狀態數據診斷系統在鄭莊煤礦的應用效果理想，安全經濟效益顯著，主要表現在：幅度降低了機電設備的維修保養成本，該診斷系統的應用是以往事后維護方式成本的10%；有效地提高了機電設備運行的安全性；能預防偶發故障，在帶電狀態下進行非接觸診斷，保障了維修人員的安全，診斷簡便快捷，不受現場環境的影響；有效提高了機電設備的使用壽命；有效提高了煤礦開采效率，減少了機電設備的停機率、停機時間，提高作業效率，減少定期點檢，提高設備維護效率。