本文内容是“十一五”国家科技支撑计划重点项目“矿井通风及供电系统安全状态监测及故障诊断预警系统的研究”(2007BAK29B05)的重要组成部分,是针对目前我国主通风机高压电动机运行寿命短、状态监测可靠性差、诊断功能不完善、故障预警手段缺乏等问题提出的。主通风机是矿井通风的核心装备,担负着全矿井新鲜风流输送、稀释瓦斯浓度、排除灾害气体的重任,其安全、可靠、高效运行是影响矿井生产安全的关键因素。然而,由于主通风机运行周期长、工况复杂、环境恶劣,运行中会出现多种故障隐患。实践证明,多数故障隐患发生在驱动主通风机的高压电动机上,如绝缘老化、定子绕组温度异常、转子断条及气隙偏心等,这些隐患不仅降低了高压电动机的运行性能,而且影响到了主通风机的工作可靠性。由此可见,对矿井主要通风机高压电动机故障隐患进行机理分析及预警方法研究,对消除主要通风机高压电动机故障隐患,防止主要通风机突发故障,保障矿井安全生产具有非常重要的现实意义。目前,我国大中型煤矿主通风系统均安装了主通风机在线监测系统。监控系统的采用在一定程度上减少了设备维护的盲目性,减少了部分超前维修带来的人力物力浪费,提高了主通风机系统运行的可靠性。然而,鉴于主通风系统的特殊性和复杂性,现有矿井主通风机监测系统仅局限于监测常见的通风机参数,即风机的风量、风压、风速和振动等。对于驱动电机,仅监测电压、电流、功率及温度等常规参量,并依据阈值超限原理给出警示,无法发现高压电机运行异常的真正原因,从而也无法消除故障安全隐患。另外,能够反映故障的特征量并未涉及,如振动频率信号、局部放电信号的指纹分布;电源和负载平稳性对故障特征参量的影响也未加考虑。针对这些问题,本文首先对矿井主要通风机高压电动机电气故障机理及故障特征量进行了分析,建立了高压电动机故障模型并进行仿真;其次,在研究故障特征量多元信息融合技术基础上,寻求适用于高压电动机的故障预警方法;然后,开发一套监测功能完善、监测数据可靠、具有故障诊断与预警功能的系统,并进行了调试;最后,制作故障样机进行故障实验研究,搭建高压电动机故障预警系统实验平台,系统调试完成后,将其应用于矿井现场进行了运行试验,为主通风高压电动机可靠运行提供安全技术保障。主要工作内容如下:高压电动机的故障形成过程不同,表现出的故障特征也不同。本文从高压电动机常见故障类型出发,揭示了其故障机理,建立了电动机定子绕组绝缘性能劣化及损坏的故障空间;研究了转子断条故障引起的电压、电流和振动等信号特征量的变化规律;分析了转子不平衡故障特性,确定了转子不平衡的特征值与转子故障时特征值之间的关系;论证了电源质量及负载特性对前述故障特征量的影响,确定了反映主通风高压电动机状态的目标参量,为建立高压电动机的故障预警体系提供了理论依据。故障信号提取和信号处理方法的研究是保证故障预警准确性的前提。本文基于小波包理论,对采集的信号进行了时频分析,并结合FFT分析结果,提取信号中的早期故障特征参量,以智能神经网络作为故障诊断分类器,通过模式识别及模糊逻辑诊断实现了通风机高压电动机的故障预警。预警方法的实现需要依靠监测监控及数据处理平台。本文设计了监测系统的各参量硬件采集模块,选择了性能优异的传感器,提出了监测及预警方案,可实现高压电动机局部放电、绝缘电阻、电压、电流以及振动等信号的实时采集和处理,为故障诊断预警提供分析判断依据;根据诊断预警系统的整体要求,结合硬件特点,设计了预警软件框架结构,开发了信号采集及处理程序、提取特征量程序、人机界面程序、故障诊断及预警程序等;最后搭建了实验平台,进行了预警软硬件调试,验证了系统预警性能。试验研究是验证故障机理和预警方法正确性的有效手段。本文依据高压电动机故障运行情况,结合制造工艺,制作了电动机故障模型。考虑高压电动机定子绕组绝缘故障时实际状况,自行制作了定子槽放电模型及定子绕组端部电晕放电模型,以此进行定子绕组槽绝缘及绕组端部绝缘老化引起的局部放电信号检测;专业制造了考虑转子断条数目及转子断条位置的故障电动机,为转子绕组故障诊断预警提供样本数据;通过在已有正常电机中设置转子不平衡和转子断条混合故障,从中探寻表征这两种故障的不同特征量;通过对电动机进行加载试验,分析了负载对电动机故障特征值的影响;利用优化配置的传感器及开发的故障诊断预警系统,获取试验数据,为系统的现场工业运行试验提供了试验证据。依据高压实验室的条件,建立了系统试验平台,对所开发的预警系统进行了性能测试。该系统于2010年06月安装应用于晋煤集团寺河二号井。运行效果表明,该系统监测实时准确,诊断预警结果可靠,整个系统运行稳定。