谐波法设备状态数据诊断系统.docx

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谐波法设备状态数据诊断系统

二〇一六年一月

一.概述

电力、铁路、石油、化工、冶金、矿山、航运等行业运用大量集成化、智能化高的复杂系统，其研制、生产，尤其是维护和保障的成本越来越高。

同时，由于组成环节和影响因素的增加，发生故障和功能失效的概率逐渐加大。

因此．工程复杂系统故障诊断和维护逐渐成为企业设备管理者关注的焦点。

从工程复杂系统可靠性、安全性、经济性考虑．以预测技术为核心的故障预测和健康管理（prognosticsandhealthmanagement—PHM）应用技术得到了充分的重视和发展。

PHM包含两方面的内容，即故障预测（prognostics）和健康管理（healthmanagement）。

故障预测是指根据系统现在或历史性能的状态，预测性地诊断部件或系统完成其功能的状态（未来的健康状态），包括确定部件或者系统的剩余寿命或正常工作的时间长度；健康管理是根据诊断／预测信息、可用维修资源和使用要求作出决策的维修活动。

PHM代表了一种对工程复杂系统管理维护概念、策略、方法的转变，实现了从基于传感器的传统诊断向基于智能系统的预测管理的转变，从而为工程复杂系统在准确的时间，对准确的部位，进行准确的维护提供了技术基础。

“谐波法设备状态数据诊断系统”是公司在引进、优化国外尖端技术基础之上研发出的基于智能系统的设备状态检测和健康管理（PHM）系统。

该系统是在国外专家团队潜心研究几十年，跟踪数千台设备运行状态，积累4万多条检测数据，取得280多个专利的基础上，应用物联网、大数据、云计算等技术构建的智能检测系统。

本系统自问世以来已经被国内外很多用户使用，其适用行业遍及电力、冶金、轨道交通、矿山、船舶、汽车、石油、化工、机械制造等领域。

二.技术原理

电气设备如:

电动机、变压器、变频器、发电机等,在不同工作状态和不同的劣化程度下都会产生不同的高次谐波。

电气设备的各种工作状态和劣化情况,与高次谐波都存在直接的对应关系。

谐波法设备状态数据诊断系统就是采用谐波法对电气设备的健康状态进行检测，通过测量流向电气设备的电动机和变换器的电流而形成的相对谐波含量的大小来判断电动机、变换器劣化度及其原因和位置。

这种方法使用户得以非接触的方式在线检测运转中的设备，从而最大程度上反映载荷状态下的各种工作参数，能够真实反应设备系统运行中的电气状态、机械状态、负载状态和功率状态。

系统操作简单、容易，配合多年积累的专家数据库和功能强大的软件平台，使客户在最短时间内自动获得电力驱动设备状态可靠的检测报告。

高次谐波，就是其频率与基波频率成整数倍关系、有规律性的正弦波。

电网中也存在非整数倍关系的谐波，称为非谐波也叫分数谐波，是无规则性的。

电气设备有异常和劣化，就会有高次谐波发生。

这种高次谐波可以利用传感器进行采集，在经过从2次到40次的FFT变换、数值化后，与多年积累的经验数据进行对比、分析，清楚了解到电气设备及电缆的异常和劣化部位。

这一发现使我们能够通过检测电流中的高次谐波来判断电气设备存在的问题，为设备维护和保养提供依据。

不同的设备机件异常会对不同次（频率）谐波造成影响，对谐波的精密分析是驱动设备检测的基本原理。

通过多年经验积累和专家分析得到了谐波含量与电机故障的关系，如下表1所示：

表1利用谐波判断故障位置一览表

电动机设备

电动机设备的劣化部分

电流谐波

第一个主要分量

所选择的

主要分量

阶数

贡献率

（%）

阶数（按计分降序）

累积贡献率（%）

电动机主体

旋转轴和轴承、安装

2

55

2,4,3,5

86

定子绕组的绝缘（相位之间或接地）

3

61

3,5,2,4

95

轴承和外壳的损坏

4

41

4,2,3,5

82

不均匀气隙（粘附污垢、局部过热）

5

59

5，3，4，2

93

电动机负载

旋转轴、联轴器失衡

7

53

7,10,9,8,6

91

轴承、黏附异物的损坏

8

35

8,7,9,10,6

95

旋转轴和联轴器部分的破损

9

33

9,8,7,10,6

92

转轮和皮带系统的损坏

10

30

10,7,8,9,6

93

各判断位置所代表的电机或负载的具体部位如图2所示：

判断位置对应部位示意图

对设备的检测结果用百分数表示设备的劣化程度,共分三个阶段,分别用A、B、C表示。

劣化阶段

劣化值

劣化状态

备注

A

40%以下

正常

B1

41%～60%

轻度异常

可以正常运行约6个月

B2

61%～80%

中度异常

可以正常运行约3个月,需要进行趋势管理

B3

81%～90%

重试异常

可以正常运行约1个月,设备容易发生故障,需要更换零部件和做检修的准备

C

90%以上

劣化

存在劣化,需要检修

其检测结果报告如下图：

谐波诊断设备不仅可以在线检测设备的运行状态，而且可以通过对同一台电气设备的长期跟踪检测，来预测其劣化趋势，进行有效跟踪管理。

三.系统结构

谐波法设备状态数据诊断系统分为便携式和在线式两种，其中便携式诊断系统主要由便携式主机及传感器、用户端数据处理与诊断系统、远程专家数据库三部分组成。

便携式主机及传感器负责设备谐波信号的采集、存储与处理；与用户端数据处理与诊断系统联机后，可以实现用户设备基础数据的录入，检测数据导入、分析，报告输出和趋势管理；并可和远程专家数据库连接，实现数据上传、远程诊断和报告输出。

其系统结构示意图如下：

在线式谐波法设备状态数据诊断系统请见后面《产品系列》第五项介绍。

四.检测功能

1.检测范围

谐波法设备状态数据诊断系统能够对各类交直流电动机及其负载、发电机、变频器、逆变器、变压器、工业电容、UPS、大功率电池组以及工业输电电缆的状态进行检测。

具体要求：

电动机：

2A以上的负载电流，1kw以上的功率；

电力电缆：

交流电缆6000V以上。

2.检测项目

谐波法设备状态数据诊断系统能够对各种设备具体的检测项目如下表：

设备/部件

检测项目

老化与故障

变频器/逆变器部

平滑（电解）电容

充放电平滑电容

控制电路

控制从AC-DC,DC-AC的电路

电力元件

IGBT等

运行电路

AC-DC,DC-AC的运行电路

电机部

转子.轴承.固定装置

转子的偏心、固定不良、（反负载侧轴承损伤）

线圈绝缘（匝间/相间）,振动

相间/匝间绝缘的不良、电压不平衡或热振动

轴承,轴承箱损伤

轴承（主要是负载侧）的损伤、轴承的变形

空气隙不均一振动

灰尘附着、转子偏心、发热，空气振动

负载部

联轴器异常、同轴度低

轴承磨损、不均衡、联轴器和皮带过松

轴承损伤、异物附着

轴承磨损、负载内部的异物混入和附着

回转轴异常、接触部位磨损

主轴不良、磨损、负载内部的异物附着

齿轮、传动带损伤

齿轮传动，传动带的损伤

变压器

线圈绝缘（匝间/相间）,振动

线圈绝缘老化、线圈局部过热（振动）、电磁振动（铁芯）

效率、发热、绝缘油、振动

因绝缘老化、涡电流、发热、热振动现象引起的功率低下

发电机部

转子.轴承.固定（装置）

转子的偏心、固定不良、（反负载侧轴承损伤）

线圈绝缘（匝间/相间）,振动

相间/匝间绝缘的不良、电压不平衡或热振动

轴承,轴承支座（电机箱体）

轴承（主要是负载侧）的损伤、轴承的变形

间隙不均一、振动

灰尘附着、转子偏心、发热，空气振动

原动机部

联轴器异常、同轴度低

轴承磨损、不均衡、联轴器和皮带过松

轴承损伤、异物附着

轴承磨损、负载内部的异物混入和附着

回转轴异常、接触部磨损

主轴不良、磨损、负载内部的异物附着

齿轮、带轮系统老化

齿轮传动，传动带的损伤

UPS不间断电源

平滑（电解）电容

充放电平滑电容

控制电路

控制逆变电路

电力元件

IGBT等

运行电路

逆变运行电路

电容器

电容器绝缘

电容器外部绝缘

电容器功率

电容器容量变化，电解质的老化

谐波法检测仪还可以实现对电机电流三相不平衡度的诊断，电机功率三相不平衡度的诊断，变频器、逆变器、变压器、驱动器拖载能力的诊断和电动机、发电机拖载能力的诊断。

3.检测位置

从配电柜到设备现场能接触到电缆的地方；

电动机的检测：

使用传感器靠近电动机的电缆线采集信号；

高压电缆检测：

使用传感器依次靠近高压电缆的输入端和输出端采集信号。

4.检测方式

1）电动机的电源电缆输入端

2）、变压器1次侧、2次侧

3）电容器的输入端

4）电力电缆输入端、输出端检测

五.产品系列

1.LK-8000便携式谐波法设备状态数据诊断系统

LK-8000便携式谐波法设备状态数据诊断系统主要针对各类交直流电动机及其负载、发电机、变频器、逆变器、变压器、工业电容、UPS、大功率电池组的运行状态进行检测。

2.LK-8100便携式谐波法设备状态数据诊断系统

LK-8100便携式谐波法设备状态数据诊断系统主要针对各类交流电动机及其负载、变频器的运行状态进行检测。

其他参数同LK-8000。

3.LK-8000L便携式谐波法电力电缆状态数据诊断系统

LK-8000L主要应用高压电力电缆的在线运行状态检测，利用谐波传感器分别对电缆变电侧、负载侧两端电缆中电流谐波信号的采集、处理和分析，对电缆状态进行评估、记录和管理，为电缆的维护和保养提供依据，以便维护人员及时处理，避免突发故障和安全事故。

系统组成

包括：

LK-8000L便携式主机及传感器、数据分析系统、远程专家诊断系统等部分组成。

主要功能

1、检测评估高压电缆绝缘体、屏蔽层、保护层及导体的劣化情况；

2、检测评估电缆的施工情况对电缆安全运行造成的影响及存在的隐患；

3、检测评估剩余使用寿命，提前做好电缆更换准备工作；

4、分析电缆劣化的各类因素，为安全运行提供更好的依据。

检测项目

1、电缆线本体

绝缘体部分放电、龟裂、老化、绝缘降低；铜线损坏·热变形；线套损坏·浸水、蚁害、鼠害等；

2、连接部分：

电缆头、接头部分放电、（漏电）痕迹、绝缘降低等；

3、电缆通道：

异物浸水，受压变形等。

具体如下表所示

LK-8000L电缆主要检测项目一览表

检测项目

劣化形态

本体部

绝缘体

液体性放电?

电气性放?

化学性放、

部分放电、疲劳破损（龟裂）、

局部过热、绝缘低下、电气性能低下

屏蔽层

损伤?

热变形

保护层

损伤?

浸水、蚁害?

鼠害

连接部

电缆头

连接部

部分放电、漏电痕迹、

绝缘低下、污损、变形、龟裂

施工

施工

外伤?

工程

设施

异物?

浸水

经年

外压?

变形

电缆劣化评价

综合评价

施工経年劣化评价

综合评价

模式评价

精密诊断时显示

检测范围及产品参数：

交流电缆：

6000V以上

检测报告示例如下：

4.YGX1-12矿用本安型谐波法设备故障检测仪（LK-8000系列）

YGX1-12矿用本安型谐波法设备故障检测仪，为LK-8000系列产品的本安型产品，可广泛应用于矿山、石油、石化等防爆环境的设备检测。

5.LK-9000在线式谐波法设备状态数据诊断系统

LK-9000在线式谐波法设备状态数据诊断系统是一套电气设备状态在线监控系统。

系统可广泛应用于不可接触及远距离设备的在线状态检测，为设备定期维护及应急维修向设备的状态维护转变提供可靠依据，达到对运行中的设备进行不间断在线监测，获取设备的状态信息，掌握设备运行状况，并对其进行系统化的长期管理，从而达到预防设备电气性或机械性突发故障的目的。

整个系统由状态数据收集系统、状态数据处理系统等两大部分组成。

其中状态数据收集系统包括：

谐波采集传感器、A/D转换器、交换机、服务器、数据专用PC监控终端等部分；状态数据处理系统主要是对所采集的数据进行管理及输出各类检测报告，包括：

数据管理软件、数据设置软件等部分。

系统的整体结构如下图：

系统功能

1、检测评估逆变器/变频器平滑电容、控制电路、电子元件和运行电路状态和劣化情况；

2、检测评估电机转子、定子、线圈、轴承、动平衡、固定装置状态和劣化、隐患情况；

3、检测评估电机负载联轴节、轴承、齿轮箱状态和运行情况；

4、提前发现逆变器/变频器、电机、负载相关的各类安全隐患并出具详细的分析评估报告；

5、对发现的安全隐患提出具体的维修、整改措施；

6、对逆变器/变频器、电机、负载状态进行趋势管理，为设备点检和维保提供依据。

系统特点

1、在线、实时检测，及时发现故障隐患并指导排除；

2、非接触检测，丝毫不会影响原有系统和设备运行；

3、综合检测，同时发现逆变器/变频器、电机、负载相关问题；

4、深度分析，不但检测设备状态，同时分析引起问题的原因；

5、兼容性好，不用对原有设备和系统作任何改动；

6、安装方便，检测传感器可直接固定在原有引线上；

7、趋势管理功能让设备运行更加安全、可靠，减少突发事故。

六.技术特点及优势

1、主要技术特点

1）、在线检测：

不需停电检测，可对24小时运行的设备进行在线检测，实现对设备在线状态监控，及时掌握设备运行情况，实现设备故障及时维修；

2）、非接触检测：

操作简单方便,无需安装，无需停电，检测过程不会对正常生产产生任何影响；

3）、综合检测：

一次检测，可以同时发现变频器、电动机及其负载存在的异常与缺陷；

4）、报告简单易懂：

专家数据库自动生成设备状态报告，无需复杂人工分析，改变了传统的检测方法需要专家或有经验的技术人员才能判断设备状态的境况，使得普通技术人员也能清晰了解设备状态情况。

5）、深度分析：

检测报告不但能对设备的运行提供精准的状态报告，而且还提供异常及缺陷的原因和维修保养建议；

6）、趋势分析：

多次检测后，可以自动生成设备运行状态的趋势分析曲线，分析设备劣化的变化趋势，预测设备的异常时间和寿命周期，实现提前发现问题并预警，指导维修，避免突发事故。

2、与传统方法的比较

与振动法比较，高次谐波法检测适用性更广泛，能够对设备电气老化作出精确判断。

与红外线法比较，高次谐波法能够更早地发现电机与发电机潜在的设备劣化征兆，便于早期防御并调整维保计划，同时诊断更精确。

下表是与振动法和红外测温法的对比表。

设备及检测内容

谐波法技术

振动法技术

红外法技术

电机

回转轴、轴承

√

√

×

固定部分

√

√

√

灰尘附着

√

×

√

回转轴异常/磨耗

√

√

√

轴承损伤异物附着

√

√

√

齿轮/传动带损伤

√

√

×

线圈的绝缘/振动

√

×

×

轴承箱的损伤

√

√

×

空气隙不均/振动

√

×

×

联轴节的异常

√

×

√

特殊电机诊断

√

×

×

变换器

平滑电解电容

√

×

×

控制电路

√

×

×

运行电路

√

×

×

电力元件

√

×

×

整流元件

√

×

×

√——可以检测；×——不可以检测

3、其它设备诊断技术无法比拟的技术优点主要有：

①可同时检测出机械和电气部分的异常和劣化问题。

②可预测出劣化的部位及其寿命。

③可非接触、带电进行诊断。

④可检测发电机/电动机的效率。

⑤可在带电状态下，诊断出发电机/电动机绕组的初期绝缘劣化。

⑥诊断精度高，理论上电机部分平均89%，最高95%，最低82%；负载部分平均93%，最高95%，最低91%。

七.产品使用效益

使用谐波法设备状态数据诊断系统可以对企业生产线上的多种电气驱动设备进行现场诊断及趋势管理，可以预测故障与隐患，指导进行提前排除，大幅降低各生产环节设备的非正常停机时间；另外，依据系统所给出的检修时间、检修项目可以实现针对性的检修维护，减少了不必要的工时浪费和配件的损耗，可以延长设备的使用周期，省掉不必要的设备更新，能够降低检修费用20%以上。

针对企业的生产情况，如果每月减少20小时的非正常停机时间，可以增加的产值和效益更为可观。

因此，该产品具有非常大的推广和应用前景。

具体表现在以下方面：

（1）降低成本（根据美国ARC顾问集团的调查分析，预测性维护是事后维护成本的10%）；

①无需高级维修人员检测；

②准确预测，减少材料费、人工费等维保费用；

③延长器件更换周期；

④减少检测维修次数。

（2）提高安全性

①预防偶发故障、对灾害防患于未然；

②带电状态下非接触诊断，人员安全；

③诊断简便快捷灵活，不易受现场环境的影响；

④能够推进整体安全生产。

（3）保证质量

①维持设备机器的性能，保证产品的高质量生产；

②减少不合格产品，提高优良品率。

（4）提高效率

①减少设备停机率、停机时间，提高作业效率；

②完成生产计划，提高客户信赖度；

③减少定期点检，提高设备维护效率。