基于動態模型的狀態監測與預測性維護技術在電機中的應用研究

彭長征++郝富強

摘 要：該文以電氣設備的狀態監測與預測性維護技術為基礎，從電氣設備的故障原理及監測方法出發，對電氣設備的保護、狀態監測與故障診斷等現狀、存在的問題等方面做了較為詳細的闡述，提出了基于動態模型的狀態監測與預測性維護平臺的概念，彌補了電氣信息和機械信息之間的斷層，經過在海上平臺原有外水泵電機中的應用，得到了較完整的電機狀態信息，為現場人員的預測性維護工作提供了很大幫助，為其他重要電氣設備的日常維護提供了參考。

關鍵詞：狀態監測 動態模型 原油外輸泵電機

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0047-02

隨著我國電力事業的不斷發展，電力技術水平的不斷提升，電力設備額定電壓及單機容量越來越大，設備的結構品種也越來越多樣化，傳統電氣設備狀態監測技術采用定期停電后絕緣預防性試驗的方法，該方法體現出一定的滯后性，其不僅需要在試驗時停電，而且試驗結果無法將設備運行狀態下的絕緣情況真實、客觀的反映出來，因此，在線監測系統的應用是大勢所趨。

對于電力電氣系統的狀態監測而言，其主要對象針對電廠和電力系統方面的重要電力設備，例如變壓器、發電機、電動機以及電纜和斷路器等相關的設備。該文就從動態模型的狀態監測與預測性維護技術在電機領域的應用研究入手，分析如何加強電氣設備的預測性維護水平。

1 電氣設備狀態監測的現狀與不足

目前對于電氣設備的狀態監測主要停留在兩個水平，純電氣的保護和純機械的狀態監測。

純電氣的保護：長期以來，處于重要位置的大型電機都有繼電保護系統，當運行參數或狀態參數達到或超過繼電器的設定值，會自動切斷電路，讓電機停止運行。對于電氣設備的保護，主要集中在過電流、過電壓、欠電壓、差動、負序、失磁、接地或逆電流保護上。

純機械的狀態監測：除了廠家配套的繼保裝置，在設備正常運行后，用戶可能會根據電機的運行情況，或電機的重要性等特點加裝純機械的狀態監測產品，以判斷電機運行過程中出現的各種機械故障，比如轉子條斷裂、軸承損壞等。

純電氣的保護主要集中在設備的保護上，但是保護的前提是必須要有精確的保護設定值，對于各種各樣的現場情況，如何得到保護設定值是一個值得研究的巨大課題。同時保護主要是在設備故障發生后的動作，并不能防患于未然。

純機械的狀態監測主要集中在振動監測上，通過在電機軸承座上加裝加速度探頭，采集后的振動信號經過分析，得出電機的相應的機械故障，可以實現事后維修為預測性維修。缺點是需要的振動理論知識高，并且對于電機匝間短路等電氣故障并不能準確加以預測，并且在設備運行時加裝探頭和敷設電纜，也對現場的維護帶來了不便，也就造成了現場運行維護人員對純機械狀態監測系統的推廣度并不高的現狀。

2 基于動態模型的設備預測性維護技術應用研究

為了避免之前出現的將電氣保護和機械故障剝離的種種問題，筆者將目前比較流行的動態模型技術與設備預測性維護技術相結合，開發了一套電機綜合性預測性維護平臺。

在動態模型技術中，變工況下三相系統期望的動態模型，比如負載，是用電動機異常情況下測量得到的動態行為進行確定和比較的。系統首先對電動機進行一段時間的學習，獲取并處理實時來自電動機系統的數據，數據采用系統識別算法進行處理，從而計算出期望的動態行為和模型參數，系統參數的變化預示著系統中有異常發生。此外，對這些參數的處理還用于診斷分析。

與傳統的振動和電流特征分析形成對照，這動態模型技術采用了一種因果（輸入-輸出）關系，因此，不受周圍環境噪聲信號或輸入中的噪聲信號的影響；同時系統還篩選出期望與實際行為之間的差異，并僅對由系統所生成的異常現象進行強化，這樣就能更早更準確的發出預警。采用專家系統的方法避免了必須維持一個數據庫或記錄的需要，也無需專業人員費時費力的采集數據和分析。雖然只測量了電壓和電流，但是還是能提供全方位故障監測，包括機械、電氣和拖動系統的故障。

基于動態模型的電機綜合性預防維護平臺數據流程如圖1所示。

運行與檢查：在此模式下，快速檢查電動機上的所有連接，確定相序、以及電動機與被拖動設備相連并正在運行。同時還檢查電壓和電流是否在設定的限制范圍內，V1與I11-I12通道之間的相位角是否正確；

學習：主要包括電動機在正常運行空曠下的行為學習，學習過程包括實現設置好的數據采集循環次數和數據分析時間。一旦達到了預設循環次數，系統就會進一步對采集和預處理的數據進行深入加工，從而得到一個數據庫，該數據庫是由代表著實際帶載工況下的電動機行為的一個數據集所組成；為了能充分覆蓋一個電動機系統所經歷的各種負載工況，就需要足夠數量的采集循環或迭代次數。

改進：一旦初始學習過程完成，系統就將通過更新學習模式期間獲取的數據庫而自動改進提高它對電動機特性的預測。在改進模式下，數據庫是根據不同的負載和供電線路情況而進行更新的。改進模式的持續時間決定于數據菜單路徑設置的改進迭代次數。

報警：此處的報警主要是針對各種故障而產生的報警信息。報警信息以報警碼的形式存在，用戶通過查找報警碼表來找到報警的具體原因，找出到底是電氣故障，還是機械故障，或者僅僅只是接線的故障。

根據之前的研究情況，將該平臺應用于某海上石油設施上，監測的對象為設施3臺原油外輸泵，泵體功率160 kW，通過變頻器帶動。

每臺電機都需要安裝三臺電流和電壓互感器，三部模塊采用菊花鏈的方式連接。采集的頻譜如圖2所示；評估的結果如圖3所示。

可以看出，通過對三相電壓和電流信號的采集，系統自動給出了基礎松動、不平衡、風機頁面故障等問題，并且給出了需要解決的時間區間，為現場的預測性維護提供了電氣和機械方面的指導性意見，方便實用。

3 結語

基于動態模型的狀態監測與預測性維護技術避免了機械和電氣專業之間的技術斷層，在正確使用的情況下，能對所有容量和功率等級的三相交流電動機進行監測，當某臺電動機（甚至與之相關聯的機械設備）性能開始下降時，即可提供清晰明確的只是，三個電流互感器和三個電壓互感器取代了大量儀表性能欠佳的傳感器，在傳統的設備狀態監測與故障診斷之外，還能對當前線路的諧波等參數進行監測和報警，大大完善了設備的各種參數。

狀態監測與預測性維護平臺目前在某海上得以應用，現場應用的情況良好，豐富了現場維護人員對設備狀態掌握情況，提高了現場預測性維護水平。

參考文獻

[1] 張春霞.電氣設備狀態監測與故障診斷[J].武漢工業學院學報，2004，23（3）：6-10.

[2] 鐘家洪，夏勇.電氣設備狀態維修技術的運用探析[J].煤炭技術，2012（11）：12-13.

[3] 朱德恒，談克雄.電氣設備狀態監測與故障診斷技術[M].北京：中國電力出版社，2001：89-110.

[4] 雷鳴.電力設備診斷手冊[M].北京：中國電力出版社，2001：36-50.

[5] 黃建華.變電站高壓電氣設備狀態檢修的現狀及其發展[J].變壓器，2002（39）：11-15.endprint