热轧层冷电机负载电流在线监控技术及其应用

沈政

摘 要：热轧层冷电机由于工作在高温、高湿特殊环境，电机瞬间接地及卡阻概率较大，对电机负载检测及预警具有一定的难度。通过安装一套线在线监测诊断系统实现变频电机电流和电压测量，根据电流和电压信号频谱分析，实现负载过载事件记录及波形记录功能、报警功能。展示卷取区域内冷辊电机和负载的运行状态实时监测，能够显示设备的信息、负荷，并根据设定的设定标准显示相应的报警信息。

关键词：在线监测;自动识别;负载电流

1 概述

2050热轧卷取内冷辊数量总计46根，其中F7出口21根，由两组逆变器分别控制21台电机，卷取测量小房25根，由两组逆变器分别控制46台电机。从现场了解情况看，内冷辊出现故障大部分由于现场环境比较特殊，有水汽和氧化粉尘，润滑失效所致，该类问题从隐患出现到失效有一段时间，提前进行分析有一定意义。润滑失效原因主要为：水汽进入、氧化粉尘以及轴封密封不良。由于内冷辊区域没有行车，更换内冷辊仅靠人工，一旦内冷辊出现异常，更换时间约3h，对于非计划故障停机时间影响大。

2050热轧卷取辊道电机所在系统概况如图1所示。通过6kV/400V的整流变压器降压，进入可控硅整流单元，整流单元输出上直流公共母线，然后四台SIEMENS逆变器从直流母线取电，将直流逆变成交流后送成组辊道电机配电柜。

2 在线监测系统

2.1 系统构成

基于电流异步电机监测诊断系统采用三电一体化（EIC）技术，由监控系统、数据采集单元、控制单元、切换单元、分析计算单元和网络设备组成。

数据采集单元：主要完成母线电压、电机三相电流等信号的检测采集功能，为准确定位，每台电机均安装三个电流互感器。

切换单元：多通道切换测量，最大程度覆盖监视对象。通过控制单元实现多通道间顺序切换，该系统的多通道测量是通过切换每个测量通道上各自独立的CT实现的。

控制单元：主要实现顺序切换功能，防止CT二次回路开路，同时实现电机数据采集与电机匹配。

分析计算单元：对数据进行分类、分析和存储，同时，对有效数据进行多种类多角度分析（谐波分析、谱分析、参数分析），并对典型故障进行智能化自动识别。

监控单元：用于实现电机设备状态在线监视，各电动机电流监测数据、波形跟踪、及时报警、事件记录等功能。

在原内冷辊电机配电柜旁新增电气柜，在原辊道电机配电柜内增加一排端子，电机供电电缆通过新增端子，电流采集通过新增电流互感器进行数据采集;电压信号取自辊道电机母线电压。

2.2 应用软件功能

针对2050热轧内冷辊电机及负载的在线监测，设置监测点的报警值。应用软件的主要功能包括：数据采集功能、数据分析功能、设备状态报警功能、状态查询功能、设备异常测点跟踪功能、显示界面定制功能、报表生成功能、远程支持功能、通讯接口功能、数据库管理。系统软件构成如图1。

2.2.1 热轧生产线状态监视功能

按工艺流程显示内冷辊电机设备运行状态，用不同颜色表示设备状态的好坏，对设备状态进行预警，指导操作及点检采取应对措施，避免突发故障。

2.2.2 设备状态报警及异常设备快速定位功能

可快速在辊道电机状态监视画面HMI和机组状态细节之间进行切换，查看机组设备运行情况，定位机组故障的范围。

2.2.3 电流频谱分析功能

对异常测点进行特征故障频率及幅值分析，发现问题、找出问题，并能解释原因;多通道、多参数、多种诊断方法对比分析;提供数据回放工具，快捷捕捉设备相关数据的变化，方便分析设备状态等。

3 电机状态诊断

3.1 试验台测试

為了能够有效获取2050G辊道电机典型故障特征，宝钢技术利用电修试验台模拟现场系统环境，通过隔离变压器构成不接地系统，利用2050辊道下线修复变频电机以及西门子变频器搭建模拟试验台，系统原理图如图2。

3.2 电气类故障诊断

3.2.1 匝间短路诊断

匝间短路是电机电气类故障中常见的故障之一。根据MCSA的相关理论，当出现匝间短路故障时，可以预见电流频谱中会出现电源3次谐波的特征频率分量。

从测试的结果中可以看出：

（1）匝间短路劣化程度基本上与故障特征成正比例关系;

（2）3匝以下的匝间短路故障特征轻微;

（3）6匝以上故障时，3次谐波变化容易检出;

（4）故障特征在三相上均有明显表现。

I/F法作为匝间短路故障的一个辅助判据，主要通过不同频率下电流的变化情况进行状态监视。发生匝间短路时，通过I/F法计算的电流频率有明显变化。图3为典型匝间短路故障时I/F法的特征验证结果。

因此，利用3次谐波的特征，同时使用I/F及时间差分等方法去除掉系统环境对3次谐波的影响，可以有效地诊断匝间短路故障。

3.2.2 单相接地（绝缘不良）诊断

单相接地是电机电气类故障中常见的故障之一。通常，单相接地的故障路径可分为突变型和渐变型。突变型故障一般是由于密封结构等结构件损坏而突然造成的单相接地。渐变型故障一般是由于发生了匝间短路，之后不断放热劣化最终导致单相接地。针对单相接地故障而言，由于检出手段主要是针对单相接地故障末期的诊断，因此对上述两种类型均有效。根据MCSA的相关理论，当出现单相接地故障时，可以预见电流频谱中会出现变频器PWM 3次谐波的特征频率分量。

因此，利用变频器PWM 3次谐波的特征，同时配合趋势管理等辅助手段，可以有效地诊断单相接地故障。另外，可通过相电压的变化（电压不平衡度），对母线的单相接地故障进行辅助判断。

3.2.3 三相不平衡诊断

三相电流不平衡对电机寿命有一定的影响，连接不良主要指电机系统的电气连接未能紧固等故障。根据MCSA的相关理论，当出现连接不良故障时，可以预见三相电流会出现很大程度的不平衡。

3.3 机械类故障诊断

3.3.1 润滑不良/卡阻堵转诊断

润滑不良/卡阻堵转故障属于机械类故障的晚期表现，具体可体现在转动困难。根据MCSA的相关理论，当出现润滑不良/卡阻堵转故障时，可以预见电流有效值会出现明显变化。润滑不良/卡阻堵转导致电机过负荷时，会出现电流有效值增大的情况，三相电流同时加大，不存在不平衡情况，在不同频率下，电流有效值变化特征一致。

因此，利用电流有效值变化的特征，同时使用频谱分析及趋势管理等方法去除掉系统环境影响，可以有效地诊断润滑不良/卡阻堵转故障。

3.3.2 松动不对中诊断

松动不对中故障多体现为定子/转子不对中及电机/负载不对中，根据MCSA的相关理论，当出现松动不对中故障时，电流频谱中会出现转频相关的特征频率分量。松动不对中故障特征体现为转频相关谐波分量。松动不对中故障程度不同，转频相关谐波分量的幅度变化不同。故障越严重，谐波幅度变化越大。不同工作频率时，该特征均可被有效检出。因此，利用電流频谱中相关频点的特征，同时配合趋势管理等手段，可以有效地诊断松动不对中故障。

3.3.3 轴承损伤诊断

轴承损伤故障是电机机械类故障中常见的故障之一。轴承损伤故障属于机械类故障的早期表现，最终会导致卡阻、不对中等多种问题。根据MCSA的相关理论，当出现轴承损伤故障时，电流频谱中会出现转频相关的特征频率分量。经过分析可以看出：

（1）轴承损伤时，转频相关的高次谐波分量明显增多;

（2）对比松动不对中，频谱上会出现更高次的转频相关谐波分量;

（3）不同工作频率时，该特征均可被有效检出。

因此，利用电流频谱中相关频点的特征，同时配合趋势管理等手段，可以有效地诊断轴承损伤故障。

4 在线检测系统实施效果分析

该在线监测系统在实际使用中对一些故障起到了预判作用，有对故障发生进行报警的，也有很多的误报和漏报。对故障发生时进行报警的主要集中在电机接地、相间短路、和电机轴承卡死。此几项故障一般是瞬间发生，所以很难做出预判。对故障预判和误报漏报的都主要集中在尼龙接手损坏、辊子轴承缺油、接手螺栓松动。产生误报主要是因为生产工艺不断变化，使辊道的载荷、速度工作环境都会发生变化。而取的报警值和取样区间点是一样的，发生无报警的概率就会大大提升。比如尼龙接手局部打坏，可能不影响负载，就有漏报的可能。对于做出故障预判的，在下面介绍3个典型案例。

4.1 尼龙接手损坏

14#辊道电机从2018年5月14日开始1次、2次和3次转频谐波大幅上升。检查发现尼龙接手损坏，15日更换尼龙块后，1次、2次和3次转频谐波大幅降低。

4.2 轴承缺油

10#辊在2017年11月30日之前，电机总谐波在0.2～0.9范围内波动，但从20日起，总谐波发生连续增加趋势。通过检查发现10号辊操作集中供油分配器出油量过小，在11月30日对10号辊操作集中供油分配器更换，更换后总谐波回复正常。

4.3 接手螺栓松动

2017年1月6日，32#辊道电机总谐波电流大，检查发现32号辊轴承座螺栓松动，于1月9日紧固处理，处理后，谐波明显下降，均值由检修前1.12A，下降到0.25A。

5 结论

2050G辊道在线监测系统通过对母线电压、电机三相电流等信号的检测采集手段，解决了G辊道在运行过程中负载电流过大的问题，尤其是经常发生故障停机的电机轴承类损伤，达到了在线监测实时报警的目的。上述结果证明了电机负载电流在线监测项目的有效性，基于此证明通过转频谐波分析负载大小是有意义的。由于存在误报漏报警现象，而产生误报漏报主要和设备的损坏程度、设备的安装精度、设备的工作环境、报警值和取样的区间都有一定的关系，后期对于报警值的设定和取样点的选取还需改进。综上所述，通过电机负载电流在线监测项目的推进及完善，大大减轻了员工的工作量，同时也降低了故障率，为在其它厂区推广应用提供了理论和实际依据。

参考文献：

[1]孙曙光，赵黎媛，杜太行，等.基于电机电流分析的万能式断路器机械故障诊断[J].仪器仪表学报，2017，38（04）：952-960.