風(fēng)力發(fā)電機故障診斷技術(shù)的研究

劉磊

（國能陜西新能源發(fā)電有限公司，陜西 西安 710000）

風(fēng)力發(fā)電機組的裝機容量越來越大，其結(jié)構(gòu)形式也變得更加復(fù)雜，給日常維修和故障診斷增加了難度。異常振動是風(fēng)力發(fā)電機運行中常見的故障類型，根據(jù)振動產(chǎn)生原因不同，又可分為電磁振動、機械振動等型式。依托信息技術(shù)設(shè)計一種智能、自動的振動監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電機組振動工況的實施采集、反饋和分析，一旦監(jiān)測到異常振動，立刻進行報警。除了提醒機組管理人員故障問題外，還會提供故障位置、類型，甚至智能生成處理方案，從而為發(fā)電機的故障診斷提供輔助。

1 風(fēng)力發(fā)電機故障診斷流程

1.1 振動診斷

風(fēng)力發(fā)電機在運行時不可避免會產(chǎn)生振動。在機器工況良好、各部位配合協(xié)調(diào)的情況下，振動頻率均勻，振動幅度較小。而一旦發(fā)生振動故障，振動頻率會變得不規(guī)律，振動幅度也會明顯增加。振動監(jiān)測是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的一種形式，主要對風(fēng)力發(fā)電機的振動工況進行實時收集，將收集到的振動信號，與發(fā)電機標(biāo)準(zhǔn)工況下的振動信號進行對比。如果兩者匹配，則說明發(fā)電機運行良好。如果實測信號明顯超過了標(biāo)準(zhǔn)值，則說明振動異常?；诖?，技術(shù)人員根據(jù)該異常振動信號的采集點，開展深入分析，從而達到故障診斷的目的?；谡駝訁?shù)的風(fēng)力發(fā)電機故障診斷流程如圖1 所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機的振動故障診斷流程

1.2 電氣參數(shù)診斷

發(fā)電機的電氣系統(tǒng)發(fā)生故障后，必然會引起電氣參數(shù)的異常變化，通過監(jiān)測并分析這些異常參數(shù)，即可判定故障發(fā)生位置和故障基本類型。監(jiān)測對象包括電流、電壓、輸出功率等。目前常用的電氣參數(shù)診斷技術(shù)為：利用監(jiān)測裝置實時采集發(fā)電機運行中的電壓信號、電流信號。同時，結(jié)合發(fā)電機實時轉(zhuǎn)速，對采集到的電氣參數(shù)開展傅里葉分析，對于匝間、相間短路故障，負載不均衡故障可以做到準(zhǔn)確診斷。

1.3 溫度診斷

基于電流熱效應(yīng)，開展溫度監(jiān)測的故障診斷也是發(fā)電機日常檢修中常用的技術(shù)形式之一。發(fā)電機有異常工況時，往往會伴隨著額外的電能損耗。而電能消耗越多，熱效應(yīng)也會更加明顯，進而在故障發(fā)生位置表現(xiàn)為發(fā)電機組成構(gòu)件的發(fā)熱現(xiàn)象。通過溫度實時監(jiān)測，將采集到的溫度信號，與發(fā)電機標(biāo)準(zhǔn)工況下各個部件的溫度允許值進行對比。若實測溫度在允許值以內(nèi)，則說明工況良好；反之，則說明存在故障。如果設(shè)備長時間處于高溫狀態(tài)，除了會導(dǎo)致部件損壞外，還有可能導(dǎo)致跳閘停機，影響正常發(fā)電。因此，溫度診斷也是保障風(fēng)力發(fā)電機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)。

2 風(fēng)力發(fā)電機振動故障分析

2.1 發(fā)電機滾動軸承振動

滾動軸承異常振動是發(fā)電機故障的常見類型。由于生產(chǎn)缺陷或安裝誤差，導(dǎo)致滾動軸承的表面并不光滑，存在若干條粗細不等的波紋。這樣當(dāng)滾動軸承在轉(zhuǎn)動時，將會出現(xiàn)明顯振動。另外，對于一些重載軸承，當(dāng)使用時間達到一定年限后，內(nèi)部的滾珠因為長期受到重力擠壓，導(dǎo)致變形，滾動軸承在轉(zhuǎn)動時也會發(fā)生振動。在振動時，會產(chǎn)生振動沖擊，沖擊發(fā)生頻率與軸承的尺寸、滾珠的數(shù)量、軸承的轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)?？捎靡韵鹿接嬎悖?/p>

式（1）中，f1為滾動軸承內(nèi)圈沖擊振動發(fā)生頻率，d 為滾珠直徑，D 為軸承內(nèi)徑，Zb為滾珠個數(shù)，φ 為接觸角；式（2）中f2為滾珠沖擊振動發(fā)生的頻率。

2.2 發(fā)電機電磁振動

發(fā)電機運行中，定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互影響，并產(chǎn)生周期性變化的徑向力。當(dāng)發(fā)電機使用壽命達到一定年限后，長期受到徑向力的影響，定子鐵心等零件容易發(fā)生變形，進而在運行期間發(fā)生振動。定子鐵心表面所受的徑向力瞬時值F（θ,t）可用公式計算得出：

式（3）中，θ 為圓周角，單位為°；t 為計算徑向力的時間點，單位為ms；μ0為空氣磁導(dǎo)率，單位為%?？紤]到在發(fā)電機實際運行時，b（θ,t）為正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場，因此徑向力瞬時值也可由不同階次m 和角頻率ω 來表示，計算公式為：

式（4）中，徑向力的階次（m）決定了轉(zhuǎn)子所受徑向振動的振型。具體又可分為4 種情況：當(dāng)m=0 時，轉(zhuǎn)子所受徑向電磁力只與時間有關(guān)，并呈現(xiàn)出周期性變化。當(dāng)m=1 時，轉(zhuǎn)子同時受到單邊磁拉力和徑向電磁力的雙重影響，會產(chǎn)生橢圓形的周期性變形。當(dāng)m=2 時，轉(zhuǎn)子受到正弦分布力的影響，產(chǎn)生多邊形的周期性變形。當(dāng)m>2 時，轉(zhuǎn)子受力更加復(fù)雜，表現(xiàn)出不規(guī)則的變形。另外，相關(guān)試驗還發(fā)現(xiàn)，徑向力頻率也會對轉(zhuǎn)子的電磁振動產(chǎn)生關(guān)聯(lián)影響。具體表現(xiàn)為當(dāng)徑向力頻率與轉(zhuǎn)子固有振動頻率一致時，形成的諧振會使得鐵心振動幅度明顯增加，振動噪聲也會更加明顯。

3 發(fā)電機振動故障的診斷

在《軸中心高為56-mm 及以上電機的機械振動振動的測量、評定及限值》（GB10068-2008）中，對于電動機振動測量方法和限值作出了明確說明。其中，根據(jù)電動機尺寸、型號等，分為兩個振動等級。B 級對最大軸向位移、最大徑向跳動的要求更加嚴(yán)格。例如，同樣是在轉(zhuǎn)速＞1800r/min 的情況下，振動等級為A 的最大軸相對位移為65μm，而振動等級為B 的最大軸相對位移為40μm。具體情況見表1。

表1 不同振動等級下發(fā)電機軸相對位移和徑向跳動限制

3.1 振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)有3 個模塊組成，分別是前端數(shù)據(jù)采集模塊、集中監(jiān)測模塊、遠程診斷模塊。該系統(tǒng)運行時，首先由布設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機各處的前端傳感器，對設(shè)備的振動信息進行實時采集。然后將采集來的振動信號，通過有線網(wǎng)絡(luò)反饋給位于風(fēng)電場升壓站的集中監(jiān)測系統(tǒng)中。將振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，由計算機對信號進行分析。若存在異常數(shù)據(jù)，則自動收集該數(shù)據(jù)的來源位置，確定故障源。最后，將故障基礎(chǔ)信息傳送到遠程診斷模塊，實現(xiàn)遠程在線診斷，并為下一步開展維修提供依據(jù)。為了盡可能全面收集振動信息，要挑選合適的監(jiān)測點位，其分布位置如表2所示。

表2 振動傳感器的布設(shè)位置

3.2 振動狀態(tài)分析

某風(fēng)力發(fā)電廠共有4 臺1200kW 機組，每臺機組分別布置6 個振動監(jiān)測點位。連續(xù)進行3 天的監(jiān)測，各監(jiān)測點的平均振動量如表3 所示。

表3 4 臺機組各個點位振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

結(jié)合表3，可以發(fā)現(xiàn)A 機組整體振動較大，其中5#振動信號時域特征值的峰值達到了30.2mm/s2。該監(jiān)測點是齒輪箱低速軸軸承座，故設(shè)備管理人員可針對齒輪箱低速軸軸承座展開進一步的分析，在明確故障原因后采取維修措施。

4 結(jié)論

做好風(fēng)力發(fā)電機故障實時監(jiān)測、科學(xué)診斷，對及時發(fā)現(xiàn)問題所在、保障機組穩(wěn)定運行意義重大。構(gòu)建故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，代替人工實現(xiàn)機組運行的全天候、實時化監(jiān)測，精準(zhǔn)識別故障源、及時采取維修措施，從而讓風(fēng)力發(fā)電機得以正常運行。