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将预测性维护应用于电力质量

将预测性维护应用于电力质量

2012/5/20 9:00:29

   通过分析轴承的振动频谱并比较频谱随时间如何变化,就针对即将发生的故障发出早期警告。可以制定出一个电机维护计划,并对失效的轴承进行更换。同样可以对配电系统中刚开始出现的问题进行类似的早期警告。   电力是一种原材料各种类型的工业和商业正在不断寻找提高质量和生产率以保持竞争性和赢利的方法。标准做法是对原材料的质量进行测量。电力常常不被看作是一种原材料,但它对于几乎所有类型的生产来说都是十分重要的。因此,电力质量就成为人们关系的一个问题。例如,半导体制造工厂中的电力中断可能会导致数百万元的生产损失。半导体厂商竭尽全力并花费大量资金来确保水这种特定原材料的质量,并连续对其纯度进行监控。水的纯度只是制造工厂中需要跟踪的众多质量指标之一。现在,也可以也可以对电力质量进行类似的监视。与许多原材料不同,电力一旦生成,就开始被消耗。它无法被存储以便将来对质量进行分析。如果电力质量不另人满意,我们无法将它进行回收或维修并返回到生产过程中。我们必须连续对电力进行监视,并实时掌握它的质量。对电力的连续监视越来越普遍地得到采用。通常要安装上监视系统以确定所消耗能量的数量与成本,但对于许多行业来说,电力中断带来的成本可以超过电能成本本身。电力质量与谐波问题应该同能量消耗一起得到监视。为满足这些需要,出现了新一代的监视仪,它们可对电力的所有方面进行全面监视,在全面质量管理中起着重要作用。   连续监视的优点,在许多政府、军事、金融和商业“关键任务”应用中,计算机需要全年 365 天、全天 24 小时运行。这些重要的计算机可以执行各种各样的任务,如空中交通管制或在交易中处理数百万美元的资金。结果,这些系统的拥有人或运营者都会竭尽全力来防止系统停止运行。他们在其基础设施上面进行了巨大投资,以确保电力输送的可靠性。每个大的数据中心都拥有大型 UPS和备用发电机系统,并具有仔细布置的电缆管道和配电设施。他们的目标只有一个, 取得100% 的运行时间或系统可用性。   综合电力监视仪器的成本在过去几年内已下降了 50% 以上,这使得它们成为用于在配电系统的多个位置上连续监视电力质量的经济、可行的解决方法。对电力输送基础设施进行连续监视应该成为任何主动性管理计划不可分割的一部分。它提供了许多优点,其中包括: • 连续监视可提供针对破坏性电力干扰事件进行事后分析的数据。这种数据可用于确定事件是如何并且在哪里引起的,并研究将来如何对它们加以避免,以及如何减轻它们的后果。 • 必须对谐波进行连续监视,以确保随着时间的推移,不断增加的负载不会出现可导致变压器、导体以及断路器早期故障的过热。 • 对电力消耗和有效值量的连续跟踪会为对将来工厂扩展进行计划以及确保现有和未来电力馈电和变电站能力充足提供有用的数据。它还可用于计划添加新的独立负载或新的备用电力系统。能够对电力系统进行全面观察对于每年计划一次到两次停产维护的工厂来说,显得非常重要。来自多个节点的长期数据可确保在短期维护过程中完成适宜的工作。 • 将含有电力质量各方面细节的电力电力调查报告归档在一个数据库中,提供了将对现有状况与历史状况进行比较的能力,并可以预测何时将会发生故障。这种方法称为“预测性维护”。预测技术提供了取得 100% 运行时间所需的信息。 • 当通过发出报警或将消息发送到文件或 PC 屏幕而检测到一个电力问题时,关键人员就立即会得到提醒。 通过即时通知,可以采取行动以隔离出问题,并防止连锁效应危害到整个设施。 电力部门也可从连续监视中获得好处。一些电力部门正在发电和配电系统的所有层次上部署电力监视仪器以提高运营效率。他们还实施主动性电力质量监视计划以便为其客户提供更好的电力质量(作为电力输送合同的一部分),或为了提高自己的良好声望。在某些情况下,他们还将数据提供给最终用户,使他们可以将电力质量信息融入到运营计划中。以太网可以将安装在客户设施的电力进线处以及关键位置的若干个监视器连接在一起。当多台仪器分散在若干个距离较远的地点时,电力部门也可以依赖于电话和调制通讯。   比较历史数据,随着时间推移跟踪数据趋势以执行预测性维护并不是一个新的想法。如果我们能够发现所出现的一个不需要的趋势,我们就可以采取措施将它抑制。这种思想已成功应用于其它领域中的预测性维护。通过定期测量轴承上的振动并随时间变化来比较振动频率,就可以检测到早期阶段的轴承故障。随后,就可以计划为电机或机器更换电机。相似的预测性技术可用于跟踪电气基础设施的性能下降情况。   预测性维护计划可通过在关键位置安装监视器来建立。每个监视器都在一个合理的运行周期(如一个星期或一个月)内进行一次调查。调查完成时,数据被下载和保存,监视器自动复位,以执行另一个星期或另一个月的另外一次调查。每个调查数据库都被归档,这些数据库定期被比较,在很长时间内收集的多个数据库为工程师们提供了工厂电力系统基础设施的全面电力质量历史。通过连续跟踪电力状况的变化并以星期和月为基础对事件进行比较,将会突出显示出性能正在下降的状况。进行一次初始调查以建立基准状况并为与以的调查数据进行比较提供基础是非常重要的。同样重要的是,每个随后的数据库都应该是对电力系统状况的真实记录。这需要一种“全面揭示”电力监视技术。全面揭示监视器可以极高的广度和深度来捕获电力消耗、谐波以及电力质量信息,用户无需对触发或阈值进行编程。   使用触发或设定点的技术较老的监视器在此区域内采集不到信息。由于没有在阈值之下所发生事件的信息,此就无法建立真实的基准状况。在没有这种信息的情况下,在触发值被超过之前我们就不会知道性能下降的电力状况,直到一切都太迟了。全面揭示监视器不仅可捕获严重事件,还可捕获可能指示出初发问题的潜在数据   全面揭示监视器可进行许多同时测量: • 电能消耗:如 W、VA、VAR、PF(真实和位移)、电力需求和 KWH。 • 电压事件:电压瞬变:0.5 微秒和 8 毫秒之间(半周期) 电压扰动:在半个周期和 2秒之间(通常为波形改变和短暂有效值事件)。长于 2 秒的有效值电压事件:通常为电压突降、骤升、中断等。电压不平衡。 闪变:按照 IEC 868 的定义,为小于 25 Hz 的电压波动。 接地回路:非载流导体中的电流载大型联网系统中经常成为问题,这种电流通常由多个外围设备的相互连接或通讯设备与处理器的连接而引起。 • 谐波失真:所有导线的电压和电流谐波频谱、THD(总谐波失真)。跟踪各个电压和电流谐波。 电能消耗和谐波测量的细节和准确度不仅取决于采样速率,而且还取决于处理能力。全面揭示监视器使用了可测量每个周期上的有效值以及所有其它电气参数的高速数字信号处理器。例如,许多电力监视器都使用低速采样技术,没有相应处理或存储能力以对所有所需的测量值进行计算。使用RPM 全面揭示监视器进行的记录是连续的,因此不会错过任何事件,准确度也得到提高。   完整电力质量可靠性的目标可通过系统可用性和运行事件来衡量。那么,如何才能防止中断和破坏并提前获得即将发生问题的警告呢?电力监视器可以采集大量数据,但不经过加工,这些数据将毫无用处。必须对数据进行分析以提供信息,使得操作人员可以了解电力系统基础设施的状态。将数据转变为信息之后,就可以获得知识。拥有了知识,就可以采取措施,实施相应的步骤和解决方案。已经开关出来的软件工具可用于收集和管理来自执行电力调查任务的多个监视器的大量数据。这些工具包含许多新颖的功能,可使用户对电力监视器的信息加以解释,并以各种方式来展示信息,以便深入研究并获得有用结论。   传统上,电力质量监视器都被用来执行电力质量问题(如电子设备故障)的事后分析。如果监视期间没有记录到事件,则这种数据就不会有什么说服力(在老式监视器上,这种情况另人烦恼,因为用户可能会不确定监视器是否设置正确,以及是否实际上发生了事件)。   如果监视器采集了大量数据,使得所有电压突降、骤升、瞬变、谐波和能耗数据变得有意义就变得十分困难。这简直就是一堆没有任何意义的数据。用户无法通过所有这些收集的数据来回答像电力状况是否正在变差或变好这样一些简单的问题,并且无法预测将来是否会发生严重的电力中断事件。用于分析来自全面揭示监视器的数据的新软件现在可以回答这些问题,以帮助达到可靠性目标。其中一个技术就是将电力质量数据转换为可随时间而得到跟踪的指数。图 3 中显示了设计简单的单数值指数的一种方案。随着每个事件被记录下来,都会根据它与CBEMA 曲线或 ITIC 曲线(最近被提议作为新的 CBEMA 曲线)等曲线的关系而被分配一个指数。如果一个事件落在曲线上,它的指数就是 100。一个没有显示没有与标称电压发生偏离的事件(或更确切地说是没有发生事件),其指数为 0。如果一个事件落在标称值和该曲线的中间位置,它的指数就是50,如果它与标称值的距离是与曲线的距离的两倍,则它的指数就是200,等等。   指数图显示了何时电力质量开始下降(指数升高)以及何时电力质量开始提高(指数下降),或者是否电流质量正在波动。在此例中, 安装在网络柜(Network Closet) 处的监视器的指数显示出最稳定的电流状况,而安装在走廊 (Lobby) 处的监视器的指数正在快速升高,并与其它监视器相比波动幅度更大。通过将指数图进行比较,哪些点具有比其它点好或差的电力质量就变得十分明显。如果走廊处是一个关键位置,则这个方法指出出它是四个位置中情况最的,值得首先进行检查。如果容许该指数继续加速升高,这个位置处就不可避免地会产生所不希望发生的后果。如果在某个特定位置采取了措施并实施了解决方法,该位置的指数就应该稳定下来并开始下降。指数方法可以快速、直观地确认电力质量状况是否正在改进。将指数与电力质量曲线联系在一起的一个优点是,如果曲线没有精确地描述出某个给定位置对电力质量的灵敏程度,则可以对曲线进行编辑或改变形状以对指数产生影响。 

  CBEMA曲线是一般性曲线,在某些情况下,用户的设备或位置可能对冲击或高速瞬变更为敏感。可以对该曲线进行调整,以便在微秒范围内变得更加灵敏。这会起到为指数提供更大的冲击权重的作用。用于描述电子设备的操作限值或灵敏度的曲线的精确形状经常是未知的。   通过记录哪些事件会引起设备问题,用户就可以从经验数据产生一条特定曲线,并重新对指数进行计算。由于所有过去的调查数据都位于一个数据库中,因此只需要对曲线进行编辑就可以随时重新计算指数。   数据的处理软件提供了可让用户对构成指数的数据进行深入研究的工具。这些工具提供了极大的灵活性,可使用户将任意参数与任意其它参数进行比较并进行趋势分析,并可以将一个位置处的数据与另外一个位置处的数据或一次调查的数据与另一次调查的数据进行比较。图 5显示了电流进线处 (ServiceEntrance) 电力质量指数的有效值图以及最差情况事件的最大指数。图 6 是电力质量指数和有效值电压活动性的复合图,它显示了电压故障与指数之间的关联。某些指数值十分重要。例如,电力故障具有接近 1000 的指数,因为从标称电压到 0% 电压的距离与从标称电压到曲线的距离之比大约为 10 比 1。如果指数与有效值活动性没有关联,则很高的指数值就非常有可能与冲击或瞬变相关。图7 显示了对照有效值电压历史绘制的事件历史,“+”号指示出一个事件被记录的事件。可以看到事件与有效值活动性之间的关联,如果事件没有落在有效值图上,即它们位于有效值图上面图形的上半部分,则它们属于瞬变或冲击事件。在一个事件上单击鼠标将会显示一个有效值电压突降或骤升图,或显示一个瞬变波形。    突出显示趋势,在指数方法之后所发展起来的一个方法是对电力质量的恶化或改进情况进行突出显示。另外一个方法是使用一条电力容差曲线,并按照时间长短将事件进行遮蔽,如图8 所示。最早的事件被遮蔽为最暗的颜色,最新的事件被遮蔽为最亮的颜色。通过遮蔽,可以很容易看到情况是否变糟或好转。在此例中,在秒时间区域中有一种“迁移”效应,显示出电压突降情况正在随时间推移而变得越来越糟。云集着周边亮度大于内部亮度的事件这一情况表明,存在一个问题正在扩展的区域。如果云集事件的中心较为明亮,则问题集中于一个区域中。两个冲击组都指明,冲击情况随着时间变化而变糟,上面组中的最新事件现在已同曲线交界,表明应该采取措施了。冲击情况随时间变化而变糟这个事实非常值得注意。可能存在两种情况。一种情况是,加入了新的负载,它们产生了开关瞬变。可以对过去几个月的电流或能耗曲线进行检查以支持这一观点,设备安装和操作记录可能会指示出变化、增添或维修。可以进行一次实际检查,以确定是否添加的新的负载但我们却并不知道。另外一种情况是,瞬变抑制系统的功能可能不正常,也许是 MOV 或其它元件已经老化或失效,需要进行更换。这是一个全面揭示监视系统可提供早期警告的很好例子。使用阈值型监视器时,在电压变化最终超过阈值并被捕获之前,用户将意识不到系统性能的下降,但一旦电压变化超过了阈值,就会对灵敏设备带来破坏。   比较多个位置和数据库的数据,对多个位置处多个监视器的数据轻松进行比较的能力对于将某个线路上的电力扰动与其它线路上的活动性相关联、并理解它们的相对作用和影响来说非常有用。它有助于电力部门对若干个变电站或多条馈线进行监视,并且有助于工业设施对运行中的若干关键点进行监视。图 9 是一条电力容差曲线,它显示了四个位置处的监视器的所有事件。每个监视器的事件都以不同颜色表示。用户可以用软件来选择通过打开或关闭数据库(通过软件按钮)而可以显示多少数据。通过在数据库之间切换并打开或关闭颜色,用户可以将曲线的某个特定区域中某个位置的事件与另一个监视位置的相同区域中的事件进行比较。例如,这种技术可帮助用户迅速看到设施电力进线处的哪些事件对处于更加靠里的位置产生影响。另外一个用于将多个位置的事件进行关联的有用显示,是将多个监视器的扰动事件绘制在一个 3 维屏幕中。   便携式监视仪可执行预测性维护,通过固定安装的监视器网络可以获得预测性维护的最大利益,但是,便携式故障故障排查工具也可用在预测性维护计划中,前提是它们属于全面揭示类型。一个方法是,将一台监视仪带到需要检查电力质量的位置(可变速驱动器、计算机控制设备或 UPS 的输出处,等等),监视一段合理时间(24 小时或 48 小时)并对监视数据进行归档。可以将监视仪移动到若干个其它位置处以执行更多的调查,同样对随后的调查数据进行归档。一个月之后,返回到第一个位置,并进行另外一次调查。通过将这种调查重复几个星期或几个月,将会得到几个电力调查数据库。可以将它们导入到预测性维护软件中,并对每个位置的指数进行绘图。图中会存在一些间隙,因为监视并不是连续的。但是,指数仍然会指示出电力质量是正在提高还是下降。如果设备问题不断发生,则参考这些指数将会使我们在调查硬件或软件缺陷之前,考虑(或消除)电力质量这一原因。   结论   新型“全面揭示”监视器可以在一台仪器中详细捕获电力质量的所有方面。这些新型仪表可被用作便携式仪或固定安装监视器。全面揭示技术可使用户无需对阈值或触发进行编程。它们可自动捕获显著事件,并通过很低的自适应阈值来管理监视器存储器。需要使用人工编程触发的仪器易受不正确设置的影响,并且,它们看不到潜伏在阈限之下的状况。只有全面揭示型仪器才可以捕获执行预测性维护的所有必要信息,并且在每次使用时,它们可一致性地以相同方式对数据进行采集和分析。   全面揭示型监视系统可以建立整个电力系统的真实基准状况,并提供按星期或按月进行比较的基础。用于电力系统的新预测性技术将不断发展(特别是在电力市场开放的时代),我们将会看到旨在提高工业、电力和商业应用中的电力可靠性的咨询与分析服务的产生。许多企业已经在其运营中执行了某种预测性维护,现在,他们正面临着将预测性监视计划扩展到电力输送系统和基础设施的良机。

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王静
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