城市轨道交通车站特种设备故障监测系统

寇 震

(中国铁建电气化局集团有限公司,100040,北京//高级工程师)



城市轨道交通车站特种设备故障监测系统

寇 震

(中国铁建电气化局集团有限公司,100040,北京//高级工程师)

根据城市轨道交通车站的需求,提出了一种通过无线网络进行数据传输的特种设备故障监测系统。通过一种谐波检测的方法,在设备正常运转时对其进行无损检测;通过对各阶谐波分量所占比例的计算,结合专家数据库的数据比对,分析得到设备不同位置的劣化情况,对有安全隐患的部位提出维修建议。

城市轨道交通; 故障监测系统; 特种设备; 谐波检测

Author′s address China Railway Construction Electrification Bureau Group Co.,Ltd.,100040,Beijing,China

0 概述

城市轨道交通车站具有长期不间断运营、人流密度大的特点,车站的各种特种设备也长期处于高负载不间断运行的工况下。在这种工况下一旦发生突发性的设备故障,就容易造成严重的乘客人身伤害问题。为了防止特种设备出现故障,一般采用固定周期对其进行维护保养。定期维修模式的弊端是维修计划的制定有一定的盲目性,一般是按月、按季度、按年进行维护保养。这种模式下,有可能造成过度维修或者维修不足的情况:正常工作的设备到了维修周期后,不得不停机维修;具有隐患的设备,还未到维修周期,就发生了故障。定期维修并不能完全满足设备的维修需求,因此,状态维修技术作为一种高效、精准的维修方式,逐渐在国内外发展起来。

状态维修建立在设备长期运行状态数据积累的基础上,通过对设备运行时表现出的外部特征(如噪声、发热、电流谐波等)的测量,得出设备的健康状态。如果设备的外部特征处于平稳状态,说明设备健康状况良好;如果设备的外部特征处于不断变大恶化的状态,说明设备处于劣化期,设备的部分零部件可能需要维修。国外城市轨道交通的发展历史较长,车站设备监控技术应用也较成熟。而国内城市轨道交通车站的特种设备故障监测一般处于各自为政的状态:各设备厂家都提供各自的独立的设备监测系统,不能很好地对车站设备进行统一管理。城市轨道交通车站特种设备故障监测系统,可以实现对车站特种设备的统一管理,实现对设备的状态维修和综合管理,进而减少维修维护成本,减少突发设备故障。

1 特种设备故障监测系统原理

对于车站的特种设备,一般情况下不能对其电路系统进行私自改造,无法通过将监测仪器并入原有电路的方式监测设备的运行状况。所以需要采用一种无损检测技术,在不干扰特种设备正常运转的情况下,对设备进行故障监测。

谐波分析法是一种非接触式的故障监测技术,通过检测电气设备输入输出电流中的各阶高次谐波分量所占的比例,来判断设备的老化趋势。电动机运行在理想状态下,电能可以100%转化为机械能。能量全部消耗在工频频段(国内即指50 Hz的频段)。电路中没有谐波分量,即各次谐波的能量趋近于0。当设备发生劣化后,部分零部件在运转时发生能量损失,损失的能量有的以噪声和发热的形式表现出来,有的则以电流谐波的形式表现出来,所以电路中存在了高次谐波的分量。各阶高次谐波所占的比例与设备的各零部件自振频率和和劣化情况有关。各阶谐波所占比例不同,反映了设备的不同故障情况。

利用这一原理,对运行中的电气设备进行监测,通过谐波传感器检测电气设备电缆中的电流谐波信号,并通过傅里叶变换到频域后,将谐波数据与专家数据库进行对比,分析设备故障位置及故障程度。

2 特种设备故障监测系统设计

2.1 系统总体设计

特种设备故障监测系统的网络结构如图1所示。

图1 特种设备故障监测系统网络结构图

该系统由故障监测分析模块、地面应用程序、各级查询终端,以及支撑这些子系统运行的办公网、公用GPRS (通用分组无线业务)网等构成。监测分析模块通过谐波监测传感器采集信号,将谐波数据实时发送到信号接收器,再通过网络发送到服务器;与专家数据库进行比对分析,得出设备健康状态,生成检测结果,发送到应用服务器。地面应用程序运行设备故障监测系统的Web程序,包括数据处理功能和数据展示功能,对谐波数据进行处理分析,并采用B/S方式将数据展示给用户;硬件上包括应用服务器、数据库服务器以及进行谐波数据分析的专家数据库,功能上包括基础数据维护、运行监控、故障统计分析等功能模块。各级查询终端以内部办公网为依托,按照业务在多个部门、作业现场、维护厂家等位置设置查询终端,并为设备维护人员配备手持终端;当设备发生故障时,服务器会推送故障信息到监控主机上,并通过运营商专线将故障报警信息、设备故障位置和故障详细数据传输到设备维护人员手持终端上。

用户通过浏览器进行Web访问,查看系统中的设备履历、设备故障在线监测和设备健康状态分析等信息。车站内部的管理人员通过办公网进入系统,不能进入车站办公网的维修厂家和现场工作人员,通过运营商专线与车站办公网互通,实现车站管理人员与车站现场工作人员及设备维修人员的实时联络。

2.2 故障监测分析模块设计

2.2.1 监测模块总体设计

根据城市轨道交通车站特种设备的实际使用情况,主要针对车站的电梯、扶梯进行监测,主要监测其电动机的工作情况。由于车站建设完成后重新布线组网比较困难,所以设备监测分析模块采用无线通信方式进行数据交互。监测传感器实时发送谐波数据,经过信号接收器、网络交换机用办公网将数据传输到车站部署的服务器中。服务器对谐波数据进行进一步处理和分析,并通过对比专家数据库中的谐波历史数据,给出设备当前的运转状态,分析设备健康情况。

2.2.2 谐波传感器安装位置

谐波检测法的主要适用对象为电动机及其配套的变频器。在谐波信号强度足够,同时保证设备和人员安全的情况下,可以检测额定电压200 V至40 kV的电动机。对于城市轨道交通车站来说,常见的各类电动机一般额定电压都在600 V以下,可以采用便携式的谐波检测探头,在满足低压绝缘的检测环境下进行谐波数据采集。

特种设备一般安装在封闭的空间中,电机、电缆都具有良好固定。而检测电机电缆的谐波信号,需要将传感器安装于设备的供电回路的电缆线上,因此谐波传感器和其无线信号发生器也安装固定在封闭空间中,如安装在电梯井中的电机输入电缆上,如图2所示。

图2中线缆上的圆圈位置为谐波传感器的安装位置。在电动机的输入电缆上接入谐波传感器,即可获取到电动机的谐波信号。对于变频启动电机,在变频器的一次侧和二次侧都分别接入谐波传感器,电机前部也接入谐波传感器,这样可以同时检测变频器和电动机的故障情况。

图2 谐波传感器的安装位置示意图

2.2.3 谐波传感器数据传输方案

传感器通过探头采集到设备的谐波信号,经过A/D (模拟/数字)转换器转化为数字信号后,通过无线信号发生器发送出去。信号接收器接收到信号后,再通过有线网络传输到服务器中。数据传输方案如图3所示。

图3 监测分析模块无线网络传输方案示意图

2.2.4 谐波传感器检测流程

电流谐波的检测可以通过谐波传感器来完成,检测流程如图4所示。步骤S10检测电动机输入电缆的总谐波失真(WTHD),采集的总谐波失真的谐波阶数为是第2到第40阶。步骤S11把每阶的相对谐波含量除以在步骤S10采集的总谐波失真,得到谐波指示值(WTHK)。步骤S12判断设备劣化情况。WCHK是第K阶谐波的标准值,将其与WTHK相比较。当WCHK大于WTHK时,此时进入到步骤S13,判断电动机工作在标准状态;当WCHK小于WTHK时,此时进入到步骤S14,判断电动机工作在劣化状态。

3 试验验证

城市轨道交通车站主要特种设备是电梯。电机作为电梯的动力提供装置,承载了巨大的载荷。由于机械故障造成电梯出现的卡顿、过载等问题,会在一定程度上反映在电机上,因此对电机的实时在线监测是十分必要的。选取了电梯曳引电机作为试验对象。经过多天的数据数据采集和分析,得出电机主要部件的健康状态和变化趋势。

图4 电动机检测流程

电梯分为扶梯和直梯,均需要将监测探头安装到电机电缆或者配电箱电机供电电缆上。监测探头扶梯安装流程:①停止扶梯运行,将扶梯转换为人工控制;②打开扶梯电机所在的地坑盖板;③进入地坑,通过专用卡具将谐波探头固定到电机的输入电缆上;④退出地坑,开启扶梯正常运行,进行测量。监测探头直梯安装流程:①停止直梯运行,将直梯转换为人工控制;②将直梯轿厢下降到合适位置,工作人员进入轿厢顶部检修平台;③控制轿厢位置调整到曳引电机附近,工作人员将谐波探头安装到电机的输入电缆上;④开启直梯正常运行,进行测量。

试验选取了某车站运行中的扶梯电机作为测试样本,对同一台电机进行了多天的测试。自动扶梯品牌为西子奥的斯,型号为X021NP-S。其曳引电机为三相异步电机,型号为YFD200L1-6,额定电压380 V,额定电流38 A,出厂日期2012年1月,已经投入使用了4年时间。按照图4的检测流程进行测量,得出各阶谐波失真,并与专家数据库中的历史数据进行自动比较匹配,结果见表1。

表1 监测分析结果

设备的劣化程度由劣化等级表示,第一位字母按A、B、C表示劣化程度依次加重,第二位数字的大小表示劣化程度大小。对于出现C级劣化等级的部位应该及时安排检修,对于出现B级劣化等级的部位应该加强观察,注意设备该部位的劣化程度是否持续上升,并在3～6个月内进行检修。

根据劣化程度分析,电机部分受热振动(线圈的局部过热)或负载共振、异常变动的影响,轴承、轴承箱会有压力征兆。注意润滑油可能有变色、析出的现象,导致负载共振或线圈末端有污渍,出现局部过热,发生热振动现象。负载部分的负载损失较大,有轴承损坏、异物附着的征兆,有转子异常(弯曲、疲劳、龟裂)的征兆。

由于电机部的劣化程度更严重,对该电机进行多天的检测,并绘制设备劣化趋势图,分析设备的健康发展状态。如图5所示。

图5 电动机劣化趋势图

从图5中可看出,电机部分线圈绝缘的劣化程度一直处于较高水平,说明线圈绝缘差,导致的功率损失较大。建议应该立即维修该设备,清理电机内部(清理灰尘、油污等),对线圈进行绝缘处理(如浸渍绝缘漆、烘干处理等),以减少功率损耗。

4 结语

特种设备故障监测系统是适用于城市轨道交通车站运营状况的综合管理系统。完善的设备故障监测可以有效地较低设备故障的发生概率,提高对乘客的服务质量,促进车站特种设备管理的信息化。但是设备的故障监测技术是不断发展的,故障监测系统也是一个不断优化和迭代的系统。在系统的使用过程中会产生大量的原始数据,通过对这些数据的分析,可不断优化专家数据库。充分有效地利用这些宝贵的数据资源,不断提高设备监测的准确性,提高设备管理的科学性。

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Fault Monitoring System for Special Equipment of Rail Transit Station

KOU Zhen

According to the requirements of urban rail transit station,a special equipment fault monitoring system based on wireless network is proposed.Through a harmonic detection method,the device is used for the non-destructive detection of equipment fault in the normal operation.By calculating the proportion of each harmonic component,and compared with the data from the expert database,the deterioration of equipment in different positions is analyzed,and corresponding maintenance suggestions are put forward for the parts with safety hazard.

urban rail transit; fault monitoring system; special equipment; harmonic detection

U292.1

10.16037/j.1007-869x.2017.06.029

2017-04-01)