一种新型电气设备故障诊断方法介绍

杨舒迪，凌标灿,2

(1.华北科技学院安 研究生院，北京 东燕郊 101601；2.中矿龙科能源科技(北京) 股份有限公司，北京 100089)

一种新型电气设备故障诊断方法介绍

杨舒迪1，凌标灿1,2

(1.华北科技学院安 研究生院，北京 东燕郊 101601；2.中矿龙科能源科技(北京) 股份有限公司，北京 100089)

介绍了一种新型诊断方法，其利用电流谐波对电动机及变频器劣化状态进行诊断。首先分别介绍了电动机和变频器劣化状态诊断的解析理论，然后分别给出了电动机和变频器劣化状态的诊断流程，最后介绍了电动机和变频器劣化程度的判断标准分级。此诊断方法对降低成本、减少设备停运时间、减少保养费等具有重要意义。

电气设备；电流谐波；故障诊断；谐波诊断

0 引言

近年来，各个行业都在谋求引进能连续生产、生产率高、可信赖的电气设备，再结合高性能的自动化系统、节能设备(如变频器等)，来实现大规模生产。这样大规模的生产线通常都要求连续作业，但是如果其中的电气设备出现故障而停止运转很可能会导致整个生产线的停产[1]。一方面，生产秩序受到破坏、客户对生产厂家的信任度降低、停产等造成的损失不可估量；另一方面，为确保设备稳定运转，提高客户对工厂的信任度，采取了提高设备投资、强化设备保养的措施，其结果产生的保养费用和相应的人工费占生产成本不小的比例。电气设备故障诊断在各个行业的大规模生产中发挥着重要作用，而国内现有的诊断技术并不完善[2-6]，因此介绍一种新型电气设备故障诊断方法——谐波诊断法。

这种新型诊断法是一种利用电流谐波对电动机及变频器的劣化状态进行诊断[7-10]，在对电动机及变频器的电源抗阻、负荷率以及设备周边环境不产生影响的情况下，能够判定劣化部位及劣化程度的谐波诊断法。它具有不需要停止、拆分或者接触设备即可进行诊断的优点。

1 谐波诊断法解析理论[11-12]

图1是关于变频器的工作示意图。1代表三相交流电源，电动机2由变频器3进行调节控制，输入电流1’经变频器3的整流器4流入。5代表平滑电容器，6代表逆变器，从控制器7及驱动器8输出调整后的电流2’。控制器7和驱动器8是搭载了电阻、电容、半导体等电子零部件的控制电路和驱动电路。当变频器3采用PWM控制方式，则输入电流和电动机电流(输出电流)的波形见图1。

图1 变频器工作示意图

1.1 电动机劣化状态诊断解析理论

电动机的劣化部位大致分为轴承及回转轴等机械构成部分和定子线圈等电气构成部分。

(1) 机械构成部分

如果劣化发生在机械构成部分，电动机电流中会既包含不规则的振荡成分又包含规则的谐波成分。因此从随机的不规则电流波形中只选取出作为其本质的谐波，就得到了自相关函数R(τ)：

(1)

式中：t表示时刻，τ=1/f0(f0为回转频率)，T表示时间。

图2(1)中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示去除基波的随机电流波形图，其各自的自相关函数分别对应于图3(2)中的(a)、(b)、(c)、(d)。

图2 电流波形举例

由图2(1)可知，f(x)的各瞬间完全是无规律，由于R(τ)只在τ=0时能得到某个值，其他均可视为0，因此由图2(2)可以看出(d)与谐波的相关性最高。

(2) 电气构成部分

如果给电动机2的U相、V相、W相提供正弦波电流，则各相上产生的磁动势FU、FV、FW分别用以下式子表示：

(2)

式中：A为常数，IU、IV、IW分别表示U相、V相、W相的有效值，w表示角速度，t表示时间。

则第n次谐波的合成磁动势F为：

(3)

式中：B为常数，Fm为基波磁动势的振幅最大值，K1,n表示n次谐波的线圈系数。

由式(3)可知，磁动势中含有谐波成分。虽然在设计时尽量不含谐波，但由于电源电压的不平衡等原因，还是会产生大于理论值的谐波。

如果劣化发生在定子线圈等电气构成部分，由于线圈导体内部磁通量的变化，会在导体内部形成涡状流动的涡电流。这个涡电流导致线圈绝缘物劣化部分的局部过热，引起各相电流的不平衡。其结果使(2)式中IU≠IV≠IW，即3次谐波显著出现。之后，三次谐波又增加了劣化部分的局部发热，就这样不断循环往复。

1.2 变频器劣化状态诊断解析理论

变频器3的输入电流之所以呈现出图1所示波形，是因为在整流器4进行了全波整流之后，又遇到了平滑电容器5。而平滑电容器5只有在充电时才会有图3所示的脉冲状电流流动。图2中τ代表脉冲宽度，H代表脉冲幅度。由于交流电和直流电的电流流动方式不同，所以产生了谐波。

若图3中的电流波形为方形脉冲波，则可用傅里叶级数表示：

(4)

式中：x=wt(w：角速度，t：时间)，n表示谐波次数。

图3 谐波产生说明图

因为在理想状态下平滑电容器5不会有因充电电流引起的脉冲电流流动，即f(x)=0。如果平滑电容器5劣化，其静电容量会降低，使(4)式中n=5，7的低次谐波成分就会增加。

除了电容5之外的电力元件(整流器4以及逆变器6)，如果控制器7或驱动器8发生劣化的话，图1中的电流2’中会增加谐波成分，显示出特异值。

2 谐波诊断法的诊断流程

2.1 电动机的诊断流程

(1) 步骤S10：设定总谐波失真率的谐波次数为2次到40次并求出图1中输出电流2’中包含的谐波的总谐波失真THD。电流谐波可用夹钳式测定器或检测线圈非接触式电磁测定器进行检测。

(2) 步骤S11：用各次数的谐波含有率HK除以步骤S10中求得的总谐波失真THD得出指数THK。

(3) 步骤S12：比较CHK和步骤S11中求得的THK(CHK是K次谐波的判定基准)。

(4) 步骤S13:结束诊断，得出报告。

(5) 步骤S14：结束诊断，得出报告。

图4给出了电动机的诊断流程图。

图4 电动机诊断流程图

图(4)中，THD为通过专用谐波检测仪器测得的总谐波失真，HK为通过专用谐波检测仪器测得的各次谐波含有率。

2.2 变频器的诊断流程

图5给出了图1中变频器3的平滑电容器5的诊断流程图，其中步骤P100、P111及P112分别与图4的步骤S10、S11及S12的运算内容相同。

图5 平滑电容器5诊断流程图

图6给出了图1中变频器3的整流器4、逆变器6、控制器7和驱动器8的诊断流程，其目的是测定图1中输出电流2’的电流谐波并进行劣化判定。步骤P200、P211及P212分别与图5的步骤P100、P111及P112的运算内容相同。

图6 整流器4、逆变器6、控制器7和驱动器8诊断流程图

图4～图6中提到的CHK可下式中的方法求得。

对于电动机：

CHK=CK×f(Mk)

(5)

式中：CK表示k次谐波的诊断计算值，f(Mk)表示k次谐波函数，可通过对电流信号进行傅里叶展开得出。

对于变频器：

CHK=CK×f(Ns)f(Nc)f(Np)f(Nd)

(6)

式中：f(Ns)、f(Nc)、f(Np)是多个k次谐波函数，可通过对电流信号进行傅里叶展开得出。f(Nd)=1.0(只有这种情况下CHK=1.0)。

3 谐波诊断法的劣化程度分级

为了区分电动机或变频器(下述简称机器)的劣化程度，将其分为“正常”、“需要注意”和“不良”三个等级。为了方便起见，将“正常”记为A、“需要注意”记为B、“不良”记为C，而且根据机器劣化程度的不同又将“需要注意”B分为轻度劣化(还能再运行大约半年没有问题的劣化)，标记为B1、中度劣化(可以再运行大约3个月但有必要进行劣化倾向管理的劣化)，标记为B2、重度劣化(随时都有可能发生故障，需要准备更换零部件或修理的劣化)，标记为B3。

不过，由于劣化时的诊断、检查间隔时间依机器的运行时间、周围温度、通风状态等环境条件的不同而有所不同，上述的检查时间间隔仅作参考。

4 现场试验

电气设备谐波故障检测法在实际应用中可分为三个步骤：

(1) 用ATC-KS系列谐波检测仪测得谐波信号；

(2) 对谐波信号进行记录分析；

(3) 与专家数据库进行比对，获得设备状态报告。

图7所示为谐波故障检测法的现场检测示意：

通过现场检测得到的各次谐波含有率(HK)以及总谐波失真(THD)，计算出指数THK，再与K次谐波基准CHK作比较，从而判定出此电气设备健康状态。

图7 现场检测示意图

5 结论

介绍了一种利用电流谐波对电动机及变频器劣化状态进行诊断的新方法，主要包括以下内容：

(1) 分别对电动机和变频器劣化状态诊断的解析理论进行说明；

(2) 分别给出了电动机和变频器劣化状态诊断的流程，其判断基础是对预先设定的谐波次数为止的总谐波失真率和电动机或者变频器的各次数谐波的含有率进行标准化处理得到指数值，然后由这个指数值得到各次数谐波函数，再由各次数谐波函数与各次数谐波含有率运算得出各次数的诊断计算值，相乘算出判定基准，把这个判定基准与标准处理后得到的指数值进行比较，即可以对电气设备的异常/劣化进行判断。

(3) 介绍了电动机和变频器劣化程度的判断标准分级，正常记为A、需要多加注意记B，且B又分为三个等级，即轻度劣化B1、中度劣化B2、重度劣化B3、不良记为C。

[1] 王斌.电气设备故障诊断系统的分析与设计 [D].成都：电子科技大学,2012.

[2] 潘亮亮，赵书涛，李宝树.基于声波信号分析的电气设备故障诊断新方法[J].电力自动化设备，2009,29(08)：87-90.

[3] 徐雪涛.基于红外成像技术的电气设备故障诊断 [D].华北电力大学，2014.

[4] 刘曼.基于SF6分解物分析的电气设备故障诊断研究 [D].长沙：湖南大学，2013.

[5] 李国兴，姜子秋，王晓丹.SF6分解产物体积分数检测在SF6电气设备故障诊断中的应用 [J].高压电器，2011，47(12):104-114.

[6] 黄文生.电气设备故障诊断的现状与发展趋势 [J].电力经济研究,2010,(31):265-266.

[7] 张勇.谐波诊断——具有划时代意义的电气设备诊断技术[J].城市轨道交通研究，2010，01:24-25

[8] 吴竞昌,孙树勤,宋文南,等.电力系统谐波[M].沈阳：水利电力出版社，1988.

[9] 唐统一，吴震春，孙树勤译.电力系统谐波[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[10] 范瑞逢.谐波的测量方法及谐波分析仪[J].浙江电力，1994,(5): 55-59.

[11] KO HIROSHI.Method for Diagnosing Working Condition and Anomalous Degradation of Electric Equipment [P].Japan: 118928,2006-05-11.

[12] KO HIROSHI.Method for Diagnosing Abnormality in Electric Equipment[P].Japan: 189064,2002-07-05.

Introduction of a New Method for the Fault Diagnosis of Electrical Equipment

YANG Shu-di1,LING Biao-can1,2

(1.GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScience&Technology,Yanjiao，101601,China；2.ZhongkuangLongkeEnergyTechnology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing，100089,China)

A new diagnosis method for the deterioration state of the motor and the inverter is presented by current harmonics.Corresponding content includes its analytic theory,diagnosis process and standard of different levels.The new method has an important significance for reducing cost,running time and maintenance fee and so on.

Electrical equipment; Current harmonic; Fault diagnosis; Harmonic diagnosis

2016-07-28

中央高校基本科研业务费资助(3142015130)

杨舒迪(1992-)，女，黑龙江双鸭山人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：电气设备安全监测。E-mail：13290660433@126.com

TM71

A

1672-7169(2016)05-0055-05