（中石化勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000）

電流信號分析法在油田高壓電機(jī)監(jiān)測中的應(yīng)用

張 冉，趙 寧，邵長彬，李建鵬，曾蕾蕾

（中石化勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000）

將電機(jī)電流信號分析法應(yīng)用于油田高壓電機(jī)的監(jiān)測，通過理論分析和實驗驗證了該方法的準(zhǔn)確性，為油田高壓電機(jī)的監(jiān)測測提供了有效的手段。

高壓電機(jī)；電流信號分析法；監(jiān)測

一、引言

注水采油是國內(nèi)油田廣泛采用的二次采油方法。作為注采工藝的主要設(shè)備，高壓電機(jī)的數(shù)量不斷增加，單機(jī)容量也不斷攀升。勝利油田在用高壓電機(jī)253臺，平均單機(jī)容量2 000kW。高壓電機(jī)的故障會影響注水系統(tǒng)的正常運(yùn)行、危及人身安全、造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對高壓電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢測、故障診斷及災(zāi)害預(yù)警，可以有效降低高壓電機(jī)故障率，減少突發(fā)事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，降低維修成本。

二、電機(jī)電流信號分析法概述

電機(jī)電流信號分析法，簡稱MCSA。通過分析電機(jī)定子電流，研究其特征信號與故障的對應(yīng)關(guān)系，作為一種故障診斷的新方法，使用在一些其他監(jiān)測手段不便實施或不易發(fā)現(xiàn)問題的場合。MCSA具有測試便利、信息集成度高、傳動路徑直接等特點(diǎn)，可以檢測高壓電機(jī)的輸入引線狀態(tài)、定子繞組狀態(tài)、轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)、氣隙靜動態(tài)偏心率、耦合器狀態(tài)（包括直接、皮帶和齒輪耦合系統(tǒng)）、負(fù)載問題和齒輪狀態(tài)等。

三、電流信號分析法在油田高壓電機(jī)監(jiān)測中的應(yīng)用

1．高壓水電機(jī)故障特征頻率

由于MCSA和振動分析具有類似的規(guī)律，因此絕大部分故障具有良好的可識別性。

(1)極通過頻率（ppf）邊帶在線頻的周圍預(yù)示轉(zhuǎn)子條故障，且峰值越高，故障的嚴(yán)重性也越大。

(2)ppf的諧波邊帶時常與鑄造氣孔或轉(zhuǎn)子條松動有關(guān)。

(3)在線頻峰值周圍產(chǎn)生“凸起噪聲平臺”的非ppf邊帶，通常與驅(qū)動負(fù)載松動或其他驅(qū)動問題有關(guān)。

(4)“凸起噪聲平臺”信號與松弛或空穴現(xiàn)象相關(guān)。

(5)電壓中顯示的峰值與電氣問題相關(guān)，例如輸入電源的電流中顯示的峰值只與繞組和機(jī)械故障有關(guān)。

(6)與轉(zhuǎn)速和線頻無關(guān)的成對峰值通常與軸承問題相關(guān)。

2．注水電機(jī)供電電源的監(jiān)測與評價

(1)過電壓或低電壓，或者電壓與銘牌的偏差。在供電電壓上的限度為±10%銘牌電壓，最好在±5%之內(nèi)。與銘牌的偏差將會對電機(jī)運(yùn)行特性產(chǎn)生影響。

(2)諧波畸變通常由電子整流系統(tǒng)產(chǎn)生，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生正序和負(fù)序的旋轉(zhuǎn)磁場，引起電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子過熱，因此對于電壓諧波，推薦限值為THD（總諧波失真）的5%，而對于電流諧波，根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)519，推薦限值為THD的3%。

3．轉(zhuǎn)子分析

MCSA的基本能力之一就是轉(zhuǎn)子分析。轉(zhuǎn)子條斷裂、靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心是MSCA可以評估轉(zhuǎn)子問題的三種基本類型。轉(zhuǎn)子條斷裂通常被認(rèn)為是因為基頻附近存在滑差頻率邊帶，當(dāng)這些邊帶達(dá)到或超過-35dB（正常應(yīng)低于35dB）時，認(rèn)為檢測出故障。例如一臺60Hz電機(jī)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速1 760r/min，其旋轉(zhuǎn)頻率為29．33Hz。同步頻率為30Hz，那么滑差頻率為2．68Hz。如果2．68Hz邊帶出現(xiàn)在60Hz頻譜峰值左右，并有-40dB大小，那么轉(zhuǎn)子就存在斷條。

靜態(tài)偏心可以在高頻頻譜中確定。靜態(tài)偏心發(fā)生在中心頻率CF（CF定義為：轉(zhuǎn)子條數(shù)×轉(zhuǎn)頻，定子槽數(shù)×轉(zhuǎn)頻也被歸納到CF）。CF=轉(zhuǎn)頻（RF）×轉(zhuǎn)子條數(shù)（RB），有線頻的N倍邊帶，其中N是奇整數(shù)。例如前面提到的1 760r/min電機(jī)，已知RB=47，其基本頻率將是29．33×47=1 378．5Hz，若存在靜態(tài)偏心，則CF有60Hz、180Hz等邊帶。動態(tài)偏心與靜態(tài)偏心不同的是，在靜態(tài)偏心基本頻率邊帶左右也有轉(zhuǎn)頻邊帶。表1表明轉(zhuǎn)子裂度狀態(tài)基于dB值的峰值電流和ppf邊帶差別。

表1 轉(zhuǎn)子狀態(tài)評價

4．定子分析

對電機(jī)繞組進(jìn)行故障診斷，首先確定定子槽通過頻率（SP）。CF等于定子槽數(shù)乘以轉(zhuǎn)頻。當(dāng)SP邊帶出現(xiàn)在CF左右時表明存在故障。例如，29．33Hz（轉(zhuǎn)頻）×42（槽）=1 231．9（CF）。如果CF有轉(zhuǎn)頻邊帶，那么定子就存在機(jī)械的或電氣的劣化。通過確定RB×RS中心頻率，可以判斷機(jī)械不平衡，47（RB）×29．33Hz=1 378．5。定子典型故障頻譜如表2所示。

表2 電機(jī)定子故障特征

四、MCSA檢測案例

1．測試方法

采用測試儀器ATPOL對電機(jī)的電壓電流進(jìn)行采集，測試過程中要注意以下幾項。

(1)確認(rèn)測量模式處于相—相測量方式。

(2)盡量準(zhǔn)確獲取電機(jī)參數(shù)，包括名牌轉(zhuǎn)速、額定電壓、電流和功率，此外軸承數(shù)據(jù)和定轉(zhuǎn)子槽數(shù)有助于更準(zhǔn)確地對注水電機(jī)進(jìn)行故障診斷。

(3)電流測試時，保證電流流向與電流鉗標(biāo)定正方向一致，如果測試系統(tǒng)超過600V，需通過CT和PT連接，這時要正確輸入CT和PT的變比。

(4)使用“Setup”按鈕，確定電壓和電流正確的連接。三相相位差約為120°。

(5)采集10s電壓和電流數(shù)據(jù)，檢查低頻解調(diào)電流，對轉(zhuǎn)子和負(fù)載相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，檢查高頻解調(diào)電流和電壓，診斷定子繞組和機(jī)械相關(guān)的問題。

2．檢測實例

對勝利油田某臺高壓電機(jī)進(jìn)行了MCSA檢測，采集了電機(jī)三相電壓電流信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了傅立葉變換和解調(diào)分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)電流存在明顯的諧波畸變現(xiàn)象，原始電流波形和FFT波形如圖1（a）、（b）所示。低頻解調(diào)電流的分析表明，轉(zhuǎn)子可能存在斷條現(xiàn)象。檢測人員將電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出進(jìn)行外觀檢查和電路測試，在轉(zhuǎn)子靠近端環(huán)處的導(dǎo)條發(fā)現(xiàn)了明顯的斷裂，驗證了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在電機(jī)修理廠對該轉(zhuǎn)子進(jìn)行了維修之后重新進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示正常。

圖1 電機(jī)電流診斷波形

五、結(jié)論

基于MCSA的高壓電機(jī)監(jiān)測技術(shù)相對于其他診斷技術(shù)而言，電信號采集更方便、使用頻率范圍更寬。通過對電機(jī)的電信號分析，可以快速準(zhǔn)確地對高壓電機(jī)電氣和機(jī)械方面存在的故障進(jìn)行提前預(yù)警，從而保障注水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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