柔直站便携式电机状态检测装置设计

范彦琨，何志甘，张锦吉

（国网福建省电力有限公司检修分公司，福建福州，350108）

0 前言

柔直换流站的运行需要使用大量的旋转设备，如阀冷系统中主循环泵、喷淋泵、补水泵电机，暖通系统组合机内风机电机等。电机的故障会导致阀冷或暖通系统停运等后果，危及直流系统安全稳定运行。传统计划、定期的电机检修方式存在盲目性，电机设备有无故障、故障部位、故障程度均难以事先准确把握，检修后质量也难以验证[1～3]。而电机故障约有60～70%均可通过电机的振动和噪声反应出来，所以，有必要对其所发出的振动和噪声进行检测与分析[4～6]。

柔直站便携式电机状态检测装置，实现了对换流站内电机设备振动、噪声、电气量等参数等状态量的检测与分析，明确电机是否发生故障、故障部位、故障类型、故障程度，判断哪些电机需要检修，需检修哪些部位，修后质量能否达到要求等，能够减少计划检修时间，节省检修费用，保障检修质量，更重要的是保障了系统安全稳定运行。

1 技术方案设计

柔直站便携式电机状态检测装置主要完成对电机产生的振动频率或信号的准确检测，并识别出电机是否存在不平衡，松动等故障。

电机状态检测设备要求小型化、轻量化，以适用于手持式移动终端场景。并且需要适用于柔直站内多种电机的检测需要，配备有多种可拆卸传感器，其要求振动量测量范围为±6g，音频采集动态范围为30～100dB，电压测量范围为0～600Vac，电流测量范围为0～300Aac。设备内部需集成电机状态检测分析预警系统，以实现电机的状态检测、趋势分析及故障预警功能。

装置硬件系统模块划分如下图1所示。

图1 硬件模块

设备主体部分包括控制模块、通讯模块、显示模块、接口模块以及充电电池。

其工作流程框图如图2所示。

图2 流程框图

柔直站便携式电机状态检测装置在选择待检测电机后，通过可拆卸传感器对待测电机各个状态量进行采样，后对采样而得的信号进行滤波去噪，滤除现场噪声等外部干扰。将所得到的结果用于计算电机综合状态量B（t），后与电机正常运行时通过检测计算得出的综合状态量的加权值H1,H2进行比较，判断电机是否发生故障，分析电机故障点及故障严重程度。

2 电机状态检测与分析预警

装置集成的电机故障监测预警系统，可对采样而得的电机状态进行实时监测和状态分析预警，及时发现电机设备早期隐患，保障直流系统安全稳定运行。柔直站便携式电机状态检测装置的电机状态检测与分析预警方法包含以下步骤：

(1）采集传感器检测的振动加速度、振动频率、噪声、电压、电流、温度信号，其中a(t)为加速度量，f(t)为振动频率，N(t)为噪声量，u(t)电压量，i(t)电流量，T(t)温度量，并对这些采样信号进行滤波去噪处理。

(2）通过状态分析预警模型，根据振动加速度、振动频率、噪声、电压、电流、温度值，进行电机状态的分析预警，具体如下：

2.1 计算电机综合状态量

其中，B(t)为电机综合状态量，gi为各状态量权重，Ai(t)为不同状态量对应的偏差值。

加速度对应的偏差值为：

其中，a(t)为当前时刻加速度，a(t-1)为上一时刻加速度，e1(t)为加速度偏差系数。

频率对应的偏差值为：

其中，f(t)为当前时刻振动频率，f(t-1)为上一时刻振动频率，e2(t)为振动频率偏差系数。

噪声对应的偏差值为：

其中，N(t)为当前时刻噪音，N(t-1)为上一时刻噪音，e3(t)为噪音偏差系数。

温度对应的偏差值为：

其中，T(t)为当前时刻温度，T(t-1)为上一时刻温度，e4(t)为温度偏差系数。

电压对应的偏差值为：

其中，u(t)为当前时刻电压，u(t-1)为上一时刻电压。

电流对应的偏差值为：

其中，i(t)为当前时刻电流，i(t-1)为上一时刻电流。

公式（2）～（5）中，各项偏差系数en(t)为：

其中，n=1,2,3,4，k为补偿系数。

通过偏差系数可以对不同偏差量进行修正，提高电机故障判断正确率。

2.2 对电机状态进行综合判断

若B(t)≤H1，则为电机正常状态。

若H1＜B(t)≤H2，则设备发出一级预警。

若B(t)＞H2，则设备发出二级预警。

其中，电机正常运行时通过检测计算得出的综合状态量加权5%可得H1，加权10%可得H2。即：

2.3 统一电机状态判断模型

计算出不同类型与参数电机正常运行时的综合状态量Bn，其中n为电机种类。进而可以计算出电机正常运行状态统一系数r为：

建立统一电机状态判断模型的好处在于，通过调整统一系数r即可适用于不同参数的电机，可以简化代码，降低微处理器运算量，适用于手持式移动终端场景。其中多个纠偏系数和补偿系数，可提高检测预警结果的正确率，能够降低功耗、减小计算量，提高正确率。

可拆卸式传感器和便携式电机状态检测分析预警系统，通过建立统一电机状态判断模型对电机各个状态量综合判断，可以实现电机的故障诊断与实时监测，为“是否需要检修”、“何时检修”及“检修质量”提供准确科学的判断依据，避免因电机发生故障导致停机。

3 硬件设计

柔直站便携式电机状态检测装置硬件部分由设备主体及可拆卸式传感器组成。

其设备主体实物图如图3所示。

图3 装置设备主体实物图

设备主体部分包括控制模块、通讯模块、显示模块、接口模块以及充电电池。

控制模块通过接口模块及通讯模块接受各可拆卸传感器的所采集的输入信息，并为其他输出装置提供最佳的控制指令，显示模块实时显示所检测电机状态的实时参数及故障情况，充电电池为装置的各个模块提供电能，并使装置能够灵活便捷地运用于柔直站的各个场景中。

可拆卸式传感器，包括电压传感器、电流传感器、振动传感器、噪声传感器、温度传感器。其传感器选型因满足实际测量范围及精度要求。

所配备各个可拆卸式传感器如表1所示。

表1 可拆卸式传感器

装置内集成的电机故障监测预警系统，可对电机状态进行实时监测和状态分析预警。根据状态监测的参量设计监控显示界面。

电机运算实时阐述及故障诊断结果通过液晶显示屏将实时显示，如图4所示。

图4 电机故障监测预警系统

液晶显示屏中显示了电机机号及电机运行的实时参数，包括电流（A）、电压(V)、温度（℃）、噪音（dB）及振动(m/s2)，当电机实时值超过限值即电机运行异常时，设备发出警报，电机状态监测界面的状态指示也随之改变，不同等级警报，对应显示状态也不同。且监测界面能随时保存或清除电机的运行状态数据，方便快捷。

4 总结

本文设计的柔直站便携式电机状态检测装置，具有灵活便携，一机多用的特点。该电机状态检测装置能够在不改变现有设备运行状态前提下，准确地检测电机运行所产生的振动加速度、振动频率、噪声、电压、电流、温度信号。并通过建立的电机状态统一综合判断模型，借助电机噪声检测识别出电机轴承的早期轻微损坏、螺丝松动等故障，综合判断模型内部包含了多个纠偏系数和补偿系数，可以提高电机检测预警结果的正确率，实现换流站内不同电机的状态检测和分析预警，具有功耗低、计算量小，且正确率高的特点。通过柔直站便携式电机状态检测装置，能有效地避免传统的计划、定期维修方式所存在的盲目性，减少检修时间，提高检修效果。