谐波测试法在煤矿提升机罐笼振动故障诊断中的应用

2018-07-06申昭

机械管理开发 2018年6期

申昭

（晋煤集团寺河矿，山西晋城 048204）

引言

矿井提升机在地面与井下之间的人员、物资流动过程中发挥着重要的作用。矿井提升机的罐笼振动问题是事关煤矿安全生产的重要因素。从矿井提升机的工作原理来看，在其提升重物的过程中，质量变化和刚度的变化会给系统的固有频率带来一定的变化。煤矿提升机罐笼振动故障问题会给提升机的安全运行带来一定的安全隐患。

1 应用谐波测试法进行煤矿提升机罐笼振动故障诊断中的可行性

根据煤矿提升机的工作情况，在重物提升过程中，质量变化和刚度变化所引起的系统固有频率变化可以被看作是一种具有慢变参数的非线性振动系统。以下为煤矿提升机的运动微分方程：

式中：m（-t）为慢变质量；-t为慢变时间；g（y，-t）为非线性弹性力。在实际工作环境下，提升机钢绳的伸长与缩短，是慢变质量的主要影响因素。提升机钢绳的伸长与缩短，是这一设备工作状况的反映。电力系统在煤矿提升机的运行过程中发挥着重要的作用。谐波问题是电力系统中较为常见的问题。谐波问题所引发的串联谐振和并联谐振问题会让谐波问题对电力系统的破坏程度有所增加。谐波测试法在煤矿提升机罐笼振动故障诊断的应用，可以让人们在煤矿领域分析变频器对电网的影响[1]。

在煤矿提升机罐笼振动故障诊断工作中，将提升机10 kV配电室的1段进线、整流变压器的输入、励磁变压器的输入和变频柜的输入、输出问题看作是谐振测试的主要测试内容。

在对电力系统的谐波测试技术进行分析后可以发现，在电力系统谐波测试环节中，相关人员需要让仪表测试所生成的图表能够反映任意一个时刻的谐波的状态，并要对谐波电压和谐波电流的采样频率进行有效控制。在对电力电子装置改进以后，无源滤波技术在电力系统中得到了应用。该技术在电力领域的应用，也为谐波测试法在煤矿提升机罐笼振动故障诊断领域应用的可行性提供了一定的保障。

2 谐波测试法的应用

以某矿井所使用的提升机罐笼振动系统为例，该设备主要应用于矿矸石、人员、材料和大件设备的输送。在副立井大罐笼提升系统的调试运行阶段，人们发现，在罐笼的提升和下放过程中，罐笼会在速度为2.5～4 m/s的情况下出现声音较大的异响和振动问题，为了调查这一故障产生的原因，对变频器的运行情况进行全面把握，人们在副井的电控系统中使用了10 kV配电室和变频器进行现场测试，并在此基础上，对变频器对副井提升机电动机的影响进行了分析。

2.1 基于谐波测试法的故障诊断测量方法

煤矿提升机罐笼振动故障诊断分析与整流变压器、励磁变压器和变频柜等设备之间存在着较为密切的联系。测量工作中所使用的测试依据标准为《电能质量公用电网谐波》[2]。根据本文中所涉及到的矿井的实际情况，提升机罐笼故障诊断测量分析工作中所使用的测量设备包含了电能质量测试仪、示波器、罗氏线圈和高压探头等设备，测试工作需要在常温环境下开展，测试地点为提升机配电室的主控室和开关室。谐波测试的测试内容包含了电压总谐波畸变率、各次谐波电压和各次谐波电流。测试点接线法是建立在谐波测试法基础上的煤矿提升机罐笼振动故障分析方法。这一测试方法主要由确定测试点、沟通测试方法、仪器电源准备阶段、仪器电源接线环节、分点测试、数据记录和数据处理分析等多个环节组成。变频器输入侧测试接线环节和变频器输出侧测试接线环节是基于谐波测试法的煤矿提升机罐笼故障诊断分析中的重要环节。

在这一故障分析方式的实际应用过程中，人们可以在1段进线的测试节选环节，将供电系统的A、B、C三项交流电压的PT侧接入到本测试分析仪的交流电压输入通道端子之中，前行电流互感器的应用，可以将上述三相交流电流中的CGT二次接入与本测试分析仪的交流电流输入通道端子之中。

在电压波形的测量环节，将1000/1的高压衰减探头接入到示波器中，并要对探头的另一端进行接地处理。在电流波形的测试环节，可以将1 A/1 mmV的罗氏线圈接入到示波器中，在这一环节中，示波器需要进行接地处理。在变频器输出侧的测试接线环节，高压衰减探头的接入示波器的措施与变频器输入侧测试接线环节的使用方式之间存在着一定的差异性。在电压波形测量环节，高压衰减探头一端需要接入示波器，另一端需要进行接地处理。示波器也需要在电流波形测试环节进行接地处理。

2.2 不同提升速度下的罐笼振动测试

谐波测试法在煤矿提升机罐笼振动故障诊断中的应用离不开总的惯性力的计算工作。提升系统的运动部分主要由直线运动和旋转运动两部分组成。提升机中的提升容器、货载提升钢丝绳等进行直线运动的部件为提升容器。它们的速度、加速度与提升机滚筒表面速度和加速度之间存在着一致性，因而研究者在振动故障诊断分析工作进行过程中，只需对电动机转子变位质量和电动机的估算功率进行计算，如下列公式为电动机的功率估算公式：

式中：P'为电动机的功率；k为矿井的阻力系数；Q为提升量；v为提升机加速度；ηj为减速器效率；Φ为动力系数；m为提升机的最大速度。根据相关规程的规定，在立井升降物料环节，容器的最大速度不得超过下列公式所求取的数值：

式中：H为提升机的提升高度。在本文所涉及到的案例中，罐笼测试时间为一个副井提升机的工作周期，罐笼的提升速度为2 m/s、2.8 m/s和5 m/s。由于提升机在速度为2.8 m/s的情况下的振动情况较为剧烈，因而提升机在这一速度下的运行情况成为了人们所关注的内容。

2.3 测试安全技术措施

接入电能质量分析仪的电压通道端子和电流通道端子的顺序与三相交流电的ABC相序之间需要保持一致性，接入电能质量分析仪的电压通道和电流通道的极性也需要保持一致性。在接地方面，电能质量分析仪的接地端子应该采取可靠的接地策略。电能质量分析仪的接地端子需要采取可靠化的接地策略，在实验过程中，相关人员也需要对各个测试点的PT值变化和CT变化进行确定，PT二次侧不能处于短路状态，CT二次侧不能处于开路状态[3]。

2.4 故障诊断结果分析

实验过程中采用的电能质量测试仪器为HIOKI3196电能质量测试仪器，这一设备可以发挥出连续24 h在线监测的作用，在实际应用过程中，人们也可以借助这一设备查看具体的电能质量情况。测试过程中采用的记录方式为连续记录，与抄表时间记录方式比，连续记录的时间间隔为1 s，实际的记录过程采用的是基于阈值触发的触发方式。根据现场测试的数据结果，表1为罐笼在不同速度下的输入侧、输出侧的电压波形。

表1 罐笼输入侧、输出侧的电压波形

在对变频器输出的波形、波纹变化情况进行分析后可以发现，变频器输出的电流波形较为严重，整流柜、励磁柜谐波电压畸变率超标的问题是系统中存在的一大突出问题。在这一系统之中，谐波电流的电流值也具有着一定的稳定性，且不会随着负荷的变化而变化。在关掉变频器以后，电网电压波形在29次谐波电流消失以后得到了明显的改善。