谐波法电气设备带电状态故障预警智能诊断系统的分析与应用

王定乾

（晋能控股煤业集团鑫海公司，山西 沁水 048000）

1 项目概况

给煤矿一类负荷供电要保障设备的连续运行，郑庄矿作为高瓦斯矿井，其设备检修尤为重要，例如：地面主扇，通过倒机检修，平时只有巡检设备的电流、声音等作为设备完好的依据，一旦发生故障后果比较严重。如对设备进行过度维修，虽然保证了设备连续稳定运行，但导致设备运行成本居高不下；如果继续按照目前的传统管理模式运行，是有可能因为设备监测与管理手段落后，导致防不胜防的异常突发事故发生。

郑庄矿机电设备传统的维护是以定期停机检测、定期停机维修为主，而停机后检测不能真正反映其实际运行状态，可见，定期检测和定期维修都不是最完美的保养策略。于是人们提出了“状态监测”“按需维修”的概念[1]，即根据设备状态进行维修保养。“状态监测”“按需维修”，不但能大幅降低维保成本、节约维保时间、减少资源浪费，同时也能延长设备使用寿命，减少人为故障。但“状态监测”“按需维修”策略一直没能获得推广应用。

鉴于此，结合郑庄矿的实际情况，寻求一种在不停电、不停机状态下对系统运行状况进行状态监测、对设备故障或劣化状态进行预判、进而对设备故障建立预警机制的新技术、新设备，并在该矿加以应用，就显得尤为重要和迫切。

2 带电状态故障预警检测智能诊断系统的开发目标和内容

通过对煤矿机电设备健康状态的定期检测，建立起符合煤矿实际情况的机电设备检测标准体系和状态检修维护的管理体系，完善煤矿机电设备检修维护管理制度，实现由“定期检测、定期检修”向“状态监测、按需检修”的转变，提升煤矿机电设备的管理水平。

对矿井设备的运行情况进行全面检测和预警是煤矿机电设备管理的重中之重，所以本项目在吸收国内外各种设备状态维修与检测设备及系统的经验基础上，拟采用“谐波法电气设备带电状态故障预警检测智能诊断系统”，针对该矿一定范围内的机电设备健康状况进行全生命周期性跟踪管理。

利用驱动电气设备在工作过程中，不同部件故障特征和劣化特征产生的对驱动电流扰动而引起电磁场变化的原理，开发矿用本安型谐波诊断设备，构建基于谐波分析技术的矿井设备智能劣化诊断系统。通过定期、连续检测，积累样本数据，对设备状态进行趋势管理，以量化形式揭示潜在故障的发生、发展和转移规律，智能诊断设备故障原因与故障严重程度，为提高应急管理水平和加强设备维保管理提供重要参考建议。

3 YGX1-12矿用本安型故障谐波检测仪

3.1 系统的组成和原理

YGX1-12矿用本安型故障谐波检测仪设备状态数据诊断系统主要由YGX1-12型便携式主机及传感器、数据分析系统、远程专家诊断系统等部分组成，该设备结构框图如下页图1所示。该设备采用非接触式测量方式，检测作业时不需要被测设备停电。可对电动机、变频器、变压器、不间断电源等设备进行工作谐波检测并存储数据。作为原始数据用于地面计算机对被检设备的可能性故障进行事前数据库对比分析，以实现对被检设备的预期故障判断。

图1 结构框图

3.2 功能分析

检测评估被监测设备的劣化部位及劣化值；检测评估设备的运行状况及潜在的隐患；预测评估设备的剩余寿命，提前做好零部件的更换工作；分析设备产生故障的各类因素，为安全运行提供更好的依据。

3.3 主要技术规格及参数

外观尺寸为322 mm×275 mm×138 mm；质量≤6 kg；本安参数为Uo=15 V、Io=1.6 A；防护等级为IP54；供电电池为10节18670型金属氢化物镍电池DC 1.2 V 4 500 mAh串联；电源适配器为100~220 V/19.6 V；谐波感应器耐电压≤6 000 V；基波范围为20~120 Hz；探测谐波为2~40次；非接触有效检测距离范围优于5 cm；非接触有效测试夹角范围优于35°；分析谐波为2~40次；负载容量大于1 kW，电流大于2 A；额定电压为DC 12 V；工作电流≤500 mA；工作电流为供电直流10.5~15 V范围[2]。

4 工业性试验

从2018年5月开始，采用YGX1-12矿用本安型故障谐波检测仪在郑庄煤矿井上下机电设备建立了一套煤矿带电运行机电设备状态监测、故障预警、智能诊断系统。从2018年6月—2018年12月，该YGX1-12矿用本安型故障谐波检测仪设备状态数据诊断系统已在郑庄煤矿进行了工业性试验6个月。该设备系统已连续无故障运行时间6个月，系统运行情况安全稳定。

以选煤厂178主电机为对象，将谐波法故障预警智能诊断系统的应用进行分析阐述。178主电机功率为132 kW，电压为AC380 V，采用YGX1-12型故障谐波检测仪进行第一次诊断时的报告书如表1所示。

表1 第一次诊断报告书

从检测报告可知：该设备转子、轴承、固定（装置）项异常劣化比例达到87.3%，轴承损坏、异物附着项异常劣化比例达到85.3%，回转轴异常、接触部磨损项异常劣化比例达到83.4%，这充分说明178主电机负载部轴承受力存在不平衡振动，轴承或有磨损。针对这一情况，对该设备在一周内做点检调整，调整后进行第二次诊断，检测报告如表2所示。数据表明第一次项异常劣化项目的数据分析降低到77.2%、65.4%、54.7%，设备轴承不平衡振动现象明显好转。

表2 第二次诊断报告书

5 应用效果分析

该设备状态数据诊断系统应用表现出了以下优点：可同时检测出机械和电气部分的异常和劣化问题；可预测出劣化部位及其中寿命；可非接触、带电进行诊断；可检测发电机/电动机的效率；可在带电状态下，诊断出发电机/电动机绕组的初期绝缘劣化；最高诊断精度可达95%。

该设备状态数据诊断系统在郑庄煤矿的应用效果理想，安全经济效益显著，主要表现在：幅度降低了机电设备的维修保养成本，该诊断系统的应用是以往事后维护方式成本的10%；有效地提高了机电设备运行的安全性；能预防偶发故障，在带电状态下进行非接触诊断，保障了维修人员的安全，诊断简便快捷，不受现场环境的影响；有效提高了机电设备的使用寿命；有效提高了煤矿开采效率，减少了机电设备的停机率、停机时间，提高作业效率，减少定期点检，提高设备维护效率。