电流信号分析法在油田高压电机监测中的应用

2014-06-01

中国设备工程 2014年5期

关键词：边带偏心定子

（中石化胜利油田技术检测中心，山东东营 257000）

张冉，赵宁，邵长彬，李建鹏，曾蕾蕾

（中石化胜利油田技术检测中心，山东东营 257000）

将电机电流信号分析法应用于油田高压电机的监测，通过理论分析和实验验证了该方法的准确性，为油田高压电机的监测测提供了有效的手段。

高压电机；电流信号分析法；监测

一、引言

注水采油是国内油田广泛采用的二次采油方法。作为注采工艺的主要设备，高压电机的数量不断增加，单机容量也不断攀升。胜利油田在用高压电机253台，平均单机容量2 000kW。高压电机的故障会影响注水系统的正常运行、危及人身安全、造成巨大的经济损失。对高压电机进行状态检测、故障诊断及灾害预警，可以有效降低高压电机故障率，减少突发事故造成的经济损失，降低维修成本。

二、电机电流信号分析法概述

电机电流信号分析法，简称MCSA。通过分析电机定子电流，研究其特征信号与故障的对应关系，作为一种故障诊断的新方法，使用在一些其他监测手段不便实施或不易发现问题的场合。MCSA具有测试便利、信息集成度高、传动路径直接等特点，可以检测高压电机的输入引线状态、定子绕组状态、转子工作状态、气隙静动态偏心率、耦合器状态（包括直接、皮带和齿轮耦合系统）、负载问题和齿轮状态等。

三、电流信号分析法在油田高压电机监测中的应用

1．高压水电机故障特征频率

由于MCSA和振动分析具有类似的规律，因此绝大部分故障具有良好的可识别性。

(1)极通过频率（ppf）边带在线频的周围预示转子条故障，且峰值越高，故障的严重性也越大。

(2)ppf的谐波边带时常与铸造气孔或转子条松动有关。

(3)在线频峰值周围产生“凸起噪声平台”的非ppf边带，通常与驱动负载松动或其他驱动问题有关。

(4)“凸起噪声平台”信号与松弛或空穴现象相关。

(5)电压中显示的峰值与电气问题相关，例如输入电源的电流中显示的峰值只与绕组和机械故障有关。

(6)与转速和线频无关的成对峰值通常与轴承问题相关。

2．注水电机供电电源的监测与评价

(1)过电压或低电压，或者电压与铭牌的偏差。在供电电压上的限度为±10%铭牌电压，最好在±5%之内。与铭牌的偏差将会对电机运行特性产生影响。

(2)谐波畸变通常由电子整流系统产生，在电机内产生正序和负序的旋转磁场，引起电机定子和转子过热，因此对于电压谐波，推荐限值为THD（总谐波失真）的5%，而对于电流谐波，根据IEEE标准519，推荐限值为THD的3%。

3．转子分析

MCSA的基本能力之一就是转子分析。转子条断裂、静态偏心和动态偏心是MSCA可以评估转子问题的三种基本类型。转子条断裂通常被认为是因为基频附近存在滑差频率边带，当这些边带达到或超过-35dB（正常应低于35dB）时，认为检测出故障。例如一台60Hz电机系统中，转速1 760r/min，其旋转频率为29．33Hz。同步频率为30Hz，那么滑差频率为2．68Hz。如果2．68Hz边带出现在60Hz频谱峰值左右，并有-40dB大小，那么转子就存在断条。

静态偏心可以在高频频谱中确定。静态偏心发生在中心频率CF（CF定义为：转子条数×转频，定子槽数×转频也被归纳到CF）。CF=转频（RF）×转子条数（RB），有线频的N倍边带，其中N是奇整数。例如前面提到的1 760r/min电机，已知RB=47，其基本频率将是29．33×47=1 378．5Hz，若存在静态偏心，则CF有60Hz、180Hz等边带。动态偏心与静态偏心不同的是，在静态偏心基本频率边带左右也有转频边带。表1表明转子裂度状态基于dB值的峰值电流和ppf边带差别。

表1 转子状态评价

4．定子分析

对电机绕组进行故障诊断，首先确定定子槽通过频率（SP）。CF等于定子槽数乘以转频。当SP边带出现在CF左右时表明存在故障。例如，29．33Hz（转频）×42（槽）=1 231．9（CF）。如果CF有转频边带，那么定子就存在机械的或电气的劣化。通过确定RB×RS中心频率，可以判断机械不平衡，47（RB）×29．33Hz=1 378．5。定子典型故障频谱如表2所示。

表2 电机定子故障特征

四、MCSA检测案例

1．测试方法

采用测试仪器ATPOL对电机的电压电流进行采集，测试过程中要注意以下几项。

(1)确认测量模式处于相—相测量方式。

(2)尽量准确获取电机参数，包括名牌转速、额定电压、电流和功率，此外轴承数据和定转子槽数有助于更准确地对注水电机进行故障诊断。

(3)电流测试时，保证电流流向与电流钳标定正方向一致，如果测试系统超过600V，需通过CT和PT连接，这时要正确输入CT和PT的变比。

(4)使用“Setup”按钮，确定电压和电流正确的连接。三相相位差约为120°。

(5)采集10s电压和电流数据，检查低频解调电流，对转子和负载相关的运行状态进行故障诊断，检查高频解调电流和电压，诊断定子绕组和机械相关的问题。

2．检测实例

对胜利油田某台高压电机进行了MCSA检测，采集了电机三相电压电流信号，对数据进行了傅立叶变换和解调分析，发现电机电流存在明显的谐波畸变现象，原始电流波形和FFT波形如图1（a）、（b）所示。低频解调电流的分析表明，转子可能存在断条现象。检测人员将电机转子抽出进行外观检查和电路测试，在转子靠近端环处的导条发现了明显的断裂，验证了检测结果的准确性。在电机修理厂对该转子进行了维修之后重新进行了测试，结果显示正常。