范彥琨，何志甘，張錦吉

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司，福建福州，350108）

0 前言

柔直換流站的運(yùn)行需要使用大量的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如閥冷系統(tǒng)中主循環(huán)泵、噴淋泵、補(bǔ)水泵電機(jī)，暖通系統(tǒng)組合機(jī)內(nèi)風(fēng)機(jī)電機(jī)等。電機(jī)的故障會(huì)導(dǎo)致閥冷或暖通系統(tǒng)停運(yùn)等后果，危及直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)計(jì)劃、定期的電機(jī)檢修方式存在盲目性，電機(jī)設(shè)備有無故障、故障部位、故障程度均難以事先準(zhǔn)確把握，檢修后質(zhì)量也難以驗(yàn)證[1～3]。而電機(jī)故障約有60～70%均可通過電機(jī)的振動(dòng)和噪聲反應(yīng)出來，所以，有必要對(duì)其所發(fā)出的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行檢測(cè)與分析[4～6]。

柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換流站內(nèi)電機(jī)設(shè)備振動(dòng)、噪聲、電氣量等參數(shù)等狀態(tài)量的檢測(cè)與分析，明確電機(jī)是否發(fā)生故障、故障部位、故障類型、故障程度，判斷哪些電機(jī)需要檢修，需檢修哪些部位，修后質(zhì)量能否達(dá)到要求等，能夠減少計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間，節(jié)省檢修費(fèi)用，保障檢修質(zhì)量，更重要的是保障了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置主要完成對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率或信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)，并識(shí)別出電機(jī)是否存在不平衡，松動(dòng)等故障。

電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備要求小型化、輕量化，以適用于手持式移動(dòng)終端場(chǎng)景。并且需要適用于柔直站內(nèi)多種電機(jī)的檢測(cè)需要，配備有多種可拆卸傳感器，其要求振動(dòng)量測(cè)量范圍為±6g，音頻采集動(dòng)態(tài)范圍為30～100dB，電壓測(cè)量范圍為0～600Vac，電流測(cè)量范圍為0～300Aac。設(shè)備內(nèi)部需集成電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)分析預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)、趨勢(shì)分析及故障預(yù)警功能。

裝置硬件系統(tǒng)模塊劃分如下圖1所示。

圖1 硬件模塊

設(shè)備主體部分包括控制模塊、通訊模塊、顯示模塊、接口模塊以及充電電池。

其工作流程框圖如圖2所示。

圖2 流程框圖

柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置在選擇待檢測(cè)電機(jī)后，通過可拆卸傳感器對(duì)待測(cè)電機(jī)各個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行采樣，后對(duì)采樣而得的信號(hào)進(jìn)行濾波去噪，濾除現(xiàn)場(chǎng)噪聲等外部干擾。將所得到的結(jié)果用于計(jì)算電機(jī)綜合狀態(tài)量B（t），后與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)通過檢測(cè)計(jì)算得出的綜合狀態(tài)量的加權(quán)值H1,H2進(jìn)行比較，判斷電機(jī)是否發(fā)生故障，分析電機(jī)故障點(diǎn)及故障嚴(yán)重程度。

2 電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)與分析預(yù)警

裝置集成的電機(jī)故障監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可對(duì)采樣而得的電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)分析預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)設(shè)備早期隱患，保障直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置的電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)與分析預(yù)警方法包含以下步驟：

(1）采集傳感器檢測(cè)的振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、噪聲、電壓、電流、溫度信號(hào)，其中a(t)為加速度量，f(t)為振動(dòng)頻率，N(t)為噪聲量，u(t)電壓量，i(t)電流量，T(t)溫度量，并對(duì)這些采樣信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理。

(2）通過狀態(tài)分析預(yù)警模型，根據(jù)振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、噪聲、電壓、電流、溫度值，進(jìn)行電機(jī)狀態(tài)的分析預(yù)警，具體如下：

2.1 計(jì)算電機(jī)綜合狀態(tài)量

其中，B(t)為電機(jī)綜合狀態(tài)量，gi為各狀態(tài)量權(quán)重，Ai(t)為不同狀態(tài)量對(duì)應(yīng)的偏差值。

加速度對(duì)應(yīng)的偏差值為：

其中，a(t)為當(dāng)前時(shí)刻加速度，a(t-1)為上一時(shí)刻加速度，e1(t)為加速度偏差系數(shù)。

頻率對(duì)應(yīng)的偏差值為：

其中，f(t)為當(dāng)前時(shí)刻振動(dòng)頻率，f(t-1)為上一時(shí)刻振動(dòng)頻率，e2(t)為振動(dòng)頻率偏差系數(shù)。

噪聲對(duì)應(yīng)的偏差值為：

其中，N(t)為當(dāng)前時(shí)刻噪音，N(t-1)為上一時(shí)刻噪音，e3(t)為噪音偏差系數(shù)。

溫度對(duì)應(yīng)的偏差值為：

其中，T(t)為當(dāng)前時(shí)刻溫度，T(t-1)為上一時(shí)刻溫度，e4(t)為溫度偏差系數(shù)。

電壓對(duì)應(yīng)的偏差值為：

其中，u(t)為當(dāng)前時(shí)刻電壓，u(t-1)為上一時(shí)刻電壓。

電流對(duì)應(yīng)的偏差值為：

其中，i(t)為當(dāng)前時(shí)刻電流，i(t-1)為上一時(shí)刻電流。

公式（2）～（5）中，各項(xiàng)偏差系數(shù)en(t)為：

其中，n=1,2,3,4，k為補(bǔ)償系數(shù)。

通過偏差系數(shù)可以對(duì)不同偏差量進(jìn)行修正，提高電機(jī)故障判斷正確率。

2.2 對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷

若B(t)≤H1，則為電機(jī)正常狀態(tài)。

若H1＜B(t)≤H2，則設(shè)備發(fā)出一級(jí)預(yù)警。

若B(t)＞H2，則設(shè)備發(fā)出二級(jí)預(yù)警。

其中，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)通過檢測(cè)計(jì)算得出的綜合狀態(tài)量加權(quán)5%可得H1，加權(quán)10%可得H2。即：

2.3 統(tǒng)一電機(jī)狀態(tài)判斷模型

計(jì)算出不同類型與參數(shù)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的綜合狀態(tài)量Bn，其中n為電機(jī)種類。進(jìn)而可以計(jì)算出電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)一系數(shù)r為：

建立統(tǒng)一電機(jī)狀態(tài)判斷模型的好處在于，通過調(diào)整統(tǒng)一系數(shù)r即可適用于不同參數(shù)的電機(jī)，可以簡(jiǎn)化代碼，降低微處理器運(yùn)算量，適用于手持式移動(dòng)終端場(chǎng)景。其中多個(gè)糾偏系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)，可提高檢測(cè)預(yù)警結(jié)果的正確率，能夠降低功耗、減小計(jì)算量，提高正確率。

可拆卸式傳感器和便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)分析預(yù)警系統(tǒng)，通過建立統(tǒng)一電機(jī)狀態(tài)判斷模型對(duì)電機(jī)各個(gè)狀態(tài)量綜合判斷，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的故障診斷與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為“是否需要檢修”、“何時(shí)檢修”及“檢修質(zhì)量”提供準(zhǔn)確科學(xué)的判斷依據(jù)，避免因電機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致停機(jī)。

3 硬件設(shè)計(jì)

柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置硬件部分由設(shè)備主體及可拆卸式傳感器組成。

其設(shè)備主體實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 裝置設(shè)備主體實(shí)物圖

設(shè)備主體部分包括控制模塊、通訊模塊、顯示模塊、接口模塊以及充電電池。

控制模塊通過接口模塊及通訊模塊接受各可拆卸傳感器的所采集的輸入信息，并為其他輸出裝置提供最佳的控制指令，顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)及故障情況，充電電池為裝置的各個(gè)模塊提供電能，并使裝置能夠靈活便捷地運(yùn)用于柔直站的各個(gè)場(chǎng)景中。

可拆卸式傳感器，包括電壓傳感器、電流傳感器、振動(dòng)傳感器、噪聲傳感器、溫度傳感器。其傳感器選型因滿足實(shí)際測(cè)量范圍及精度要求。

所配備各個(gè)可拆卸式傳感器如表1所示。

表1 可拆卸式傳感器

裝置內(nèi)集成的電機(jī)故障監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)分析預(yù)警。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參量設(shè)計(jì)監(jiān)控顯示界面。

電機(jī)運(yùn)算實(shí)時(shí)闡述及故障診斷結(jié)果通過液晶顯示屏將實(shí)時(shí)顯示，如圖4所示。

圖4 電機(jī)故障監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

液晶顯示屏中顯示了電機(jī)機(jī)號(hào)及電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)，包括電流（A）、電壓(V)、溫度（℃）、噪音（dB）及振動(dòng)(m/s2)，當(dāng)電機(jī)實(shí)時(shí)值超過限值即電機(jī)運(yùn)行異常時(shí)，設(shè)備發(fā)出警報(bào)，電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面的狀態(tài)指示也隨之改變，不同等級(jí)警報(bào)，對(duì)應(yīng)顯示狀態(tài)也不同。且監(jiān)測(cè)界面能隨時(shí)保存或清除電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便快捷。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置，具有靈活便攜，一機(jī)多用的特點(diǎn)。該電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置能夠在不改變現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)前提下，準(zhǔn)確地檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、噪聲、電壓、電流、溫度信號(hào)。并通過建立的電機(jī)狀態(tài)統(tǒng)一綜合判斷模型，借助電機(jī)噪聲檢測(cè)識(shí)別出電機(jī)軸承的早期輕微損壞、螺絲松動(dòng)等故障，綜合判斷模型內(nèi)部包含了多個(gè)糾偏系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)，可以提高電機(jī)檢測(cè)預(yù)警結(jié)果的正確率，實(shí)現(xiàn)換流站內(nèi)不同電機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)和分析預(yù)警，具有功耗低、計(jì)算量小，且正確率高的特點(diǎn)。通過柔直站便攜式電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)裝置，能有效地避免傳統(tǒng)的計(jì)劃、定期維修方式所存在的盲目性，減少檢修時(shí)間，提高檢修效果。