基于電流電壓頻譜的互感器諧波故障診斷

張紅志

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東青島 266400）

0 引言

公司內部供配電系統中的互感器除周期性進行預防性試驗和突發事故檢測外，在運行時無其他監測手段。通過對用電設備的電流電壓頻譜數據分析，發現電流諧波異常升高隱患，通過逐步分析排查，最終鎖定為電流互感器故障，避免了一起電氣設備事故的發生，保障了公司正常的生產運行，驗證了通過電流電壓頻譜分析技術監測電流互感器工作狀態的可行性。

1 電機電信號（電流電壓）頻譜分析技術

目前，絕大多數應用于電力設備上的故障檢測技術都是利用波形與時間變化來分析。而在電機故障診斷領域，隨著科技的不斷發展和進步，信號采集和處理裝置不斷更新升級，利用電機定子電流數據進行精確的電機故障診斷已成熟應用，特別是基于快速傅里葉變換技術的電機故障診斷技術非常成熟。除定子故障外，大部分的電機類故障也都可以利用電信號頻譜分析技術進行故障診斷分析。

但有時導致電機故障的原因并不僅僅局限于電機自身，其外部供電系統的故障也可導致電機運行異常。在理想狀況，外部三相供電電源應完全平衡，電壓和電流是完美的正弦波形，但實際上受制造工藝、材料等多種因素的制約，電源只能做到相對的完美和平衡。這也就導致了電機會因外部供電問題而產生故障，因此在對定子電流進行頻域分析的基礎上，也可利用同一時刻的電壓信號，利用時間波形和高階頻譜檢測技術，來評價外部供電電源的狀態。隨著時代的發展，單純的電流或電壓的頻域、時域分析已經不能滿足對電機故障診斷技術的需要，因此結合上述兩者的技術優勢引申出新的電機電信號分析診斷技術[1]。即采集電機負載時的電流、電壓信號，利用時域和頻域對電機狀態進行綜合的分析和診斷。動態分析和判斷電機問題，利用趨勢分析的方法，分析輸入電源的健康狀態、電機定子繞組的健康狀態、電機轉子的健康狀態、電機的氣隙靜態和動態偏心率、電機系統負載和效率等問題。

2 互感器磁飽和現象及電流諧波的產生機理與危害

2.1 電流互感器的磁飽和現象

電流互感器磁飽和現象是指在電流互感器鐵芯中磁通密度大于其飽和磁通密度，磁通密度不再與互感器的一次側電流的大小成比例關系。其磁通量計算公式為：

式中：Bm為鐵心內部最大磁感應強度；Hm為鐵心內部磁場強度的最大值；A 為鐵心的橫截面積；Φm為磁通量；μ 為真空磁導率與相對磁導率之積；μ0為真空磁導率；μr為相對磁導率；N1為一次側線圈匝數；L 為平均磁路長度；Im為勵磁電流峰值[2]。

電流互感器發生磁飽和現象后，一次側電流與二次側電流不再成比例關系，電流互感器不能正常的對外反應電流變化情況。同時在磁飽和狀態下，鐵芯中磁通密度大，互感器的渦流和磁滯損耗增大，互感器鐵芯發熱明顯，本體絕緣材料容易過熱損壞。

電流互感器的磁飽和狀態又分暫態飽和、穩態飽和。暫態飽和：互感器僅在暫時狀態下的飽和，并且會隨時間的變化逐漸退出飽和狀態。其特點為產生的諧波類型豐富，除3、5、7 次等奇次諧波外，還存在2、4 次等偶次諧波。穩態飽和：互感器的磁飽和不會隨時間的變化而變化，一直處于穩定飽和狀態。其特點為產生的諧波類型單一，以3、5、7 次等奇次諧波為主。

2.2 電流諧波的產生機理與危害

電流諧波是指電流正弦波的分量，為電源頻率的整數倍，不同類型的諧波對電氣設備會產生不同的影響。當正弦波電壓進入到非感性的用電器上時，用電器的輸入電流與輸入電壓的波形不一致，就會發生畸變。然而由于用電器是與整個電網相連接，發生畸變的電流就會通過用電器反饋到電網系統中，這樣用電器就成了整個電網系統中的故障源。

含有大量諧波的電流對電網是一種嚴重污染，危害十分嚴重，可以使用電設備自身的工作環境發生惡化，同時也會對周圍相關聯的其他用電設備產生干擾。不僅使電能的傳輸和利用的效率下降，還會讓電氣設備產生過熱、振動值升高和噪聲異常，甚至導致設備異常老化，縮短設備使用壽命，直至發生事故或損壞。

3 互感器諧波故障

3.1 設備參數及數據采集

所監測電機為公司動力部空壓機站所屬高壓電機（額定功率1750 kW，電壓等級10 kV），所帶負載為大流量空氣壓縮機，電機工況一直處于工頻穩定狀態運行。

電機電流電壓頻譜分析數據采集點位于高配室電機饋電柜的CT 與PT 二次側。主要采集其三相的電流與電壓信號數據。采集時長約1 min，正常監測周期為每月1 次。

3.2 電流諧波故障的發現

在對動力部空壓機站所屬高壓電機的電流電壓數據例行監測分析時，發現其5#高壓電機存在異常情況，其數據解調出的電流電壓頻譜圖中電流諧波的峰值明顯升高（圖1），電流諧波畸變量達到14%遠超過GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》“10 kV 電網標稱電流總諧波畸變率應不超過3%”[3]的規定，同時電流頻譜圖中顯示諧波以3、5、7 次等奇次諧波為主，且含量較多。還發現其A 相的有功功率明顯低于B、C 兩相，無功功率也有較大增加，屬于嚴重的故障隱患。此時電機雖在正常運轉，但應立即停機查明故障原因，排除事故隱患。

圖1 電流諧波

經過連續2 d 的采集監測，該故障特征一直穩定存在，且電流諧波量還在增加。于是將該故障隱患通知動力部空壓站，要求將該高壓電機停機，并配合對具體故障部位的查找和排除。

3.3 排查電流諧波故障原因及過程

該空壓機站電機系10 kV 高壓電機，由動力部35/10 kV變壓器提供總電源，進入高壓配電室后再由高壓母線再向各電機分別供電。現場高配室內為三段式控制柜，電機的啟停方式為工頻直接啟停。

經查閱相關資料明確出現電流諧波的主要原因，并結合現場實際情況梳理出以下4 類設備的故障可導致電機電流諧波的增大：①變壓器故障；②電機自身繞組絕緣異常；③高壓電流互感器故障；④供電線路上其他設備故障干擾。

針對上述4 條可能導致電機電流諧波增大的故障原因，分別制定了相應的排查驗證方案。首先對同線路其他設備的情況進行電流電壓數據監測檢查，驗證其他電氣設備的運行是否對該電機諧波增大產生干擾。經過與同時段其他電機的電流電壓頻譜數據的比對，同時段同母排供電的其他電機電流諧波畸變均在1%左右，可基本排除供電線路上其他設備故障干擾的可能。然后利用機械振動頻譜和電機離線綜合測試儀對該電機進行綜合監測評估電機健康狀態，機械振動監測首先對運行的5#電機進行監測診斷，監測結果：電機振動值正常，無異常振動頻率。于是協調空壓站將5#電機停機，使用電機離線測試儀對電機定轉子健康狀態進行評估，離線評估結果：電機絕緣和直阻指標均在正常范圍，無匝間和相間短路情況，因此排除電機故障導致的電流諧波增大。

完成上述排查工作后，協調空壓機站對直接向5#電機供電的變壓器進行試驗檢測，驗證是否為變壓器故障導致的電機電流諧波增大。將變壓器退出運行后進行絕緣、變比、直阻等檢測。該變壓器高低壓側絕緣均在正常范圍，高壓側直阻偏差0.6%、低壓側直阻偏差1.1%，最大變比誤差0.03%，變壓器狀態正常（變壓器檢測標準：高壓側直阻＜2%，低壓側直阻＜4%，變比誤差＜0.5%）[4]，可排除變壓器故障導致的電機電流諧波升高。

至此高壓互感器故障的可能性進一步加大，最后確認為故障部位，決定對電機的高壓電流互感器進行特性試驗，驗證是否為互感器故障導致的電機諧波升高。遂將該電機配電柜內的3臺電流互感器（型號LZZBJ9-10，額定變比200/5 A，10P 級。2014 年7 月生產）送檢試驗。經過變比試驗后，發現送檢的3 臺電流互感器中其配電柜A 相所用電流互感器變比誤差超出正常范圍（表1），其余兩相結果均正常。

表1 互感器變比試驗結果

依據上述試驗結果，可以判定本次5#電機的電流諧波異常升高原因是該電機配電柜內A相電流互感器故障，于是建議動力部將存在問題的電流互感器更換。更換互感器后，再次對運行中的5#電機進行電流電壓數據監測分析，5#電機電流諧波由14%降至1.2%（表2），電機狀態監測正常。證實了本次電流諧波升高是由電流互感器故障導致。

表2 電流互感器更換前后諧波量對比 %

3.4 原因推斷

經向有關人員問詢并查閱相關設備檔案，了解到該電流互感器在2015 年4 月投入使用前進行過變比及伏安特性試驗，試驗結果符合標準。連續運行至今已達7 年，期間電流互感器本體未進行過檢測和維修。為探究故障原因決定對故障電流互感器使用直流電阻測試儀的檢測，發現其阻值較其他正常互感器偏大。同時結合之前的數據分析和變比試驗結果以及查閱大量資料后，推測本次諧波增大故障系互感器長期使用，配電系統老化故障導致電流互感器產生穩態磁飽和現象引起的.因互感器為整體澆筑結構，解體困難，且公司內部現有技術手段有限，未能進一步做出驗證。

4 結語

通過利用電流電壓頻譜分析技術對電動機的監測，成功發現了電機供電線路中因電流互感器故障導致電流諧波升高的故障隱患。通過多種技術手段相互配合精確定位了故障部位，提前消除了電氣設備的故障隱患，保障了主機設備的可靠運行，提高了設備的綜合效率。驗證了電流電壓頻譜分析技術不僅能診斷電機本體的故障，也可準確診斷電機周邊電氣設備的故障。證明了在傳統的電氣預防性試驗之外，新興的電流電壓頻譜分析技術也可有效發現電機周邊電氣設備故障，為電氣設備日常的監護監測提供了一種新方法、新途徑。同時進一步驗證了綜合運用多種監測技術對設備的監測診斷會更加全面、更加精確，可有效的避免設備發生熱停事故，從而降低設備維護費用和事故率，提高了設備運行時間和效率，保障了企業的正常穩定生產。