基于希爾伯特變換的雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷－滑環(huán)早期故障診斷研究

余清清，錢 赫，許國東，黃千松，王 瀟，任 靜

(浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012)

0 引言

發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，碳刷-滑環(huán)出現(xiàn)的打火現(xiàn)象屬于發(fā)電機(jī)的常見故障之一。碳刷-滑環(huán)長期的輕微打火會加大滑環(huán)的粗糙度，從而加劇打火現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)够h(huán)室過熱，從而燒壞碳刷與滑環(huán)。但由于碳刷-滑環(huán)的輕微打火現(xiàn)象不易被發(fā)現(xiàn)，往往打火現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)時，碳刷與滑環(huán)已嚴(yán)重受損，這會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并會產(chǎn)生較大的安全隱患；同時，由于碳刷與滑環(huán)的日常維護(hù)難度及工作量巨大，處在惡劣環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)組更是需要投入大量的人力、物力和財(cái)力[1]進(jìn)行維護(hù)。因此，研究雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)的早期故障診斷方法迫在眉睫。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者通過不懈努力，在電接觸理論及應(yīng)用方面[2]，尤其是在碳刷-滑環(huán)打火的在線監(jiān)測及診斷方面，獲得了不少研究成果。比如：文獻(xiàn)[3]提出將轉(zhuǎn)子電壓作為碳刷與滑環(huán)間出現(xiàn)火花故障時的監(jiān)測依據(jù)，通過轉(zhuǎn)子電壓的波動來對碳刷、滑環(huán)的運(yùn)行情況做出判斷；文獻(xiàn)[4]根據(jù)滑環(huán)、碳刷的熱成像來判斷碳刷-滑環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)；文獻(xiàn)[5]根據(jù)滑環(huán)、碳刷的振動信號對碳刷-滑環(huán)的故障特性進(jìn)行了研究。雖然上述研究對發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)故障診斷有很大幫助，但將這些方法應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)打火故障診斷還存在一定的局限性，難以提取碳刷-滑環(huán)早期輕度打火故障時的特征。

希爾伯特變換在信號處理方面有著廣泛應(yīng)用，并于近年來不同程度地應(yīng)用于風(fēng)電等行業(yè)[6]。針對碳刷-滑環(huán)在早期故障時出現(xiàn)的打火現(xiàn)象進(jìn)行分析時存在的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號易被淹沒、打火故障存在隨機(jī)性等導(dǎo)致特征信號提取困難的問題，本文提出了基于希爾伯特變換提取雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流特征信號的方法，可應(yīng)用于發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)出現(xiàn)打火現(xiàn)象的早期故障診斷。首先從理論上闡述了希爾伯特變換提取特征量的方法[7]；然后利用FIR帶通濾波器對雙饋式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流信號的時域波形進(jìn)行濾波，并對濾波后的信號進(jìn)行希爾伯特變換，通過包絡(luò)譜分析，得到明顯的碳刷-滑環(huán)打火特征信號；最后通過將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷－滑環(huán)打火故障的機(jī)理

在雙饋式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)中，當(dāng)碳刷與滑環(huán)正常運(yùn)行時，滑環(huán)與碳刷之間接觸平穩(wěn)，載流正常，產(chǎn)生的熱量較小，滑環(huán)與碳刷的溫度均維持在較低水平。這種情況下，滑環(huán)與碳刷之間的接觸電阻很小且穩(wěn)定，碳刷的電流頻譜以基頻為主，極少存在其他頻率分量。

導(dǎo)致碳刷-滑環(huán)出現(xiàn)打火現(xiàn)象的因素很多，比如：碳刷受潮、碳刷的均流性差、碳刷與滑環(huán)接觸不良、碳刷與滑環(huán)接觸面存在污垢、碳刷的壓力不足等[8-9]。出現(xiàn)碳刷打火現(xiàn)象會使碳刷與滑環(huán)之間的接觸電阻發(fā)生突變，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)回路中的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生不同程度的畸變[10]。

2 希爾伯特變換的原理及特征量提取

2.1 希爾伯特變換的原理[11-12]

首先對希爾伯特變換在信號處理方面的原理進(jìn)行介紹。

假設(shè)某個實(shí)函數(shù)為x(t)，函數(shù)變量t∈(-∞，∞)，其希爾伯特變換則h(t)為函數(shù)x(t)與的卷積，即：

由傅里葉變換理論可知，h(t)的傅里葉變換為函數(shù)x(t)的傅里葉變換X(f)與的傅里葉變換=的乘積，即：

式中：j為虛部符號；f為頻率；sgn為符號函數(shù)。

其中：

從式(2)可以看出，H(f)其實(shí)是X(f)在頻域中作相位移動，在正頻域內(nèi)延遲頻域內(nèi)超前相位，即希爾伯特變換實(shí)際上是一相位，在負(fù)個90°的移相位器。

h(t)與x(t)可表示為：

式中：z(t)為函數(shù)x(t)的解析信號。

對式(4)的兩邊進(jìn)行傅里葉變換，并由式(2)可得：

式中：Z(f)為z(t)進(jìn)行傅里葉變換后的函數(shù)。

則：

因此，由希爾伯特變換構(gòu)成的解析信號中只含有正頻率成分。

2.2 特征量提取

希爾伯特變換最主要的應(yīng)用是處理信號的解調(diào)，把一個信號表示為解析信號，然后通過該解析信號可以研究信號的包絡(luò)譜，從而提取特征量。

若以函數(shù)x(t)來表示窄帶信號，則：

式中：A(t)為窄帶信號的幅值；φ(t)為窄帶信號的初始相角；ω0為角速度。

x(t)的希爾伯特變換可表示為：

x(t)構(gòu)成的解析信號為：

其中：

從式(10)中可得到信號的包絡(luò)譜。

由于電流波形中存在不同程度的噪聲信號干擾，雖然直接通過希爾伯特變換可以求得特征信號的包絡(luò)譜，但包括噪聲信號的包絡(luò)譜會影響特征信號的提取，因此在希爾伯特變換之前需要對信號進(jìn)行FIR帶通濾波，濾除頻帶范圍外的信號；然后再進(jìn)行包絡(luò)譜分析，這樣就可以得到較為明顯的碳刷-滑環(huán)打火特征信號。

3 仿真分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)碳刷-滑環(huán)打火現(xiàn)象時，雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號會出現(xiàn)不同程度的畸變，電流信號上會表現(xiàn)出調(diào)幅的沖擊脈沖。但由于電流信號本身的噪聲較大，對于輕度的碳刷-滑環(huán)打火現(xiàn)象而言，特征信號往往會被淹沒在時域波形中，因此很難直接從電流波形中辨識出是否存在碳刷-滑環(huán)打火現(xiàn)象。

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，設(shè)計(jì)了與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號相似的仿真信號，并依據(jù)本文提出 的方法對仿真信號進(jìn)行分析。

該仿真信號由1個基礎(chǔ)信號疊加1個特征信號組成，同時信號中也加入了均值為零、標(biāo)準(zhǔn)差為55的高斯白噪聲，以模擬真實(shí)信號。

仿真信號中的基礎(chǔ)信號y1為正弦信號，可表示為：

式中：A0為函數(shù)y1的幅值；T為時間，T∈(0，10)。

仿真信號中的特征信號y2為三角波信號，可表示為：

式中：A1為函數(shù)y2的幅值，此處A1=250；N為求和項(xiàng)的上限；k為求和項(xiàng)的數(shù)量；ΔT為采樣間隔；此處τ取18ΔT。

將y1和y2疊加，同時加入高斯白噪聲，生成含有特征信號的轉(zhuǎn)子電流信號的仿真波形；該波形的起始時刻為0.056 s，后續(xù)每隔0.125 s會出現(xiàn)一次三角波。選取轉(zhuǎn)子電流波形中0～2 s的波形進(jìn)行分析，具體如圖1所示。

圖1 0～2 s時的轉(zhuǎn)子電流信號的仿真波形Fig. 1 Simulation waveform of rotor current signal at 0～2 s

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子電流信號仿真波形的0～2 s中，共有16個包括了噪聲信號的特征信號，但由于受背景噪聲的影響，很難直接分辨出此段波形中的特征信號。

因此，需要對仿真波形進(jìn)行FIR帶通濾波[12]，濾除特征信號頻率范圍外的信號，再經(jīng)過希爾伯特變換后進(jìn)行包絡(luò)譜分析。

利用式(9)構(gòu)造轉(zhuǎn)子電流信號的解析信號，并對解析信號進(jìn)行包絡(luò)譜分析，如圖2所示。

圖2 希爾伯特變換后的轉(zhuǎn)子電流信號包絡(luò)譜Fig. 2 Rotor current signal envelope spectrum after Hilbert transform

由圖2可以明顯看出，在0～2 s內(nèi)，出現(xiàn)了16個特征信號，與轉(zhuǎn)子電流信號的仿真信號中注入的特征信號數(shù)量及時間周期一致。這說明經(jīng)過希爾伯特變換后的轉(zhuǎn)子電流信號包絡(luò)譜能準(zhǔn)確反映碳刷-滑環(huán)打火時的特征信號，并能精準(zhǔn)確認(rèn)打火的時間段及打火次數(shù)。

針對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號提取困難、發(fā)電機(jī)存在負(fù)載波動、打火故障存在隨機(jī)性等問題，本文提出的方法都能很好地保障碳刷-滑環(huán)打火故障診斷的可靠性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 試驗(yàn)平臺的搭建

為制造真實(shí)的發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)打火工況，驗(yàn)證上述碳刷-滑環(huán)打火故障診斷方法的有效性，以2 MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)為例，在實(shí)驗(yàn)室搭建了發(fā)電機(jī)對拖試驗(yàn)平臺。該試驗(yàn)平臺包括：發(fā)電機(jī)、驅(qū)動試驗(yàn)臺、變頻器、原動機(jī)、雙饋式變流器，其中，變頻器和原動機(jī)構(gòu)成了試驗(yàn)平臺的驅(qū)動系統(tǒng)。

以DEWE800電網(wǎng)分析儀搭配A100電流互感器來采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號，并采用高精度攝像機(jī)錄制發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)打火現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)對拖試驗(yàn)平臺的原理圖與實(shí)物圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 發(fā)電機(jī)對拖試驗(yàn)平臺的原理圖Fig. 3 Schematic diagram of mechanical back to back test platform for generator

圖4 發(fā)電機(jī)對拖試驗(yàn)平臺的實(shí)物圖Fig. 4 Photo of mechanical back to back test platform for generator

將異常的碳刷-滑環(huán)安裝在2 MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的滑環(huán)室內(nèi)，通過逐步加載的方式，觀察碳刷-滑環(huán)在滑環(huán)室內(nèi)的打火現(xiàn)象。具體做法為：根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-功率曲線，給定傳動鏈的運(yùn)行轉(zhuǎn)速及與其對應(yīng)的發(fā)電機(jī)的輸出功率；然后通過驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)節(jié)傳動鏈的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，通過發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率，從而逐步增加傳動鏈的運(yùn)行轉(zhuǎn)速及與其對應(yīng)的發(fā)電機(jī)的輸出功率，直至發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過程中，采用高精度攝像機(jī)錄制發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)打火現(xiàn)象，并通過查找碳刷-滑環(huán)打火影像來確定打火時間和打火次數(shù)。未出現(xiàn)打火現(xiàn)象時發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)如圖5所示，出現(xiàn)打火現(xiàn)象時發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)如圖6所示。

圖5 未出現(xiàn)打火現(xiàn)象時發(fā)電機(jī)的碳刷－滑環(huán)Fig. 5 Carbon brush-slide ring of generator without sparking phenomenon

圖6 出現(xiàn)打火現(xiàn)象時發(fā)電機(jī)的碳刷－滑環(huán)Fig. 6 Carbon brush-slide ring of generator with sparking phenomenon

通過電網(wǎng)分析儀與電流互感器對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號進(jìn)行實(shí)時采集，電網(wǎng)分析儀采樣頻率為3000 Hz，記錄碳刷-滑環(huán)正常運(yùn)行和打火工況下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號；然后利用MATLAB仿真軟件對采集到的轉(zhuǎn)子電流信號進(jìn)行分析，可以得到碳刷-滑環(huán)打火工況下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號時域波形圖，如圖7所示。

圖7 碳刷－滑環(huán)打火工況下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號時域波形圖Fig. 7 Time-domain waveform diagram of rotor current signal of generator under carbon brush-slide ring sparking conditions

由于從圖7中無法直接準(zhǔn)確地提取出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號中的特征信號，所以利用本文提出的方法來提取發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號中的碳刷-滑環(huán)打火特征信號。首先通過FIR帶通濾波去除噪聲信號，設(shè)置其通帶范圍為7～400 Hz；然后進(jìn)行希爾伯特變換，根據(jù)式(9)構(gòu)造發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號的解析信號，并得到其包絡(luò)譜，如圖8所示。

圖8 希爾伯特變換后的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號包絡(luò)譜Fig. 8 Rotor current signal envelope spectrum of generator after Hilbert transform

由圖8可知，在110～111 s內(nèi)，提取到了2個特征信號，可以明確在該期間發(fā)電機(jī)存在碳刷-滑環(huán)打火現(xiàn)象。通過與高精度攝像機(jī)捕捉到的發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)打火畫面進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，本文提出的故障診斷方法得到的打火時間與打火次數(shù)與攝像機(jī)捕捉得到的均一致。

本試驗(yàn)共完成了數(shù)十組碳刷-滑環(huán)打火測試，均采用本文提出的方法來提取碳刷-滑環(huán)打火時發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號波形中的特征信號。結(jié)果顯示：依據(jù)此方法得到的碳刷-滑環(huán)打火次數(shù)與打火時間均與根據(jù)高精度攝像機(jī)捕捉得到的結(jié)果完全一致。這證明了基于希爾伯特變換的包絡(luò)譜分析方法在雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)出現(xiàn)打火現(xiàn)象的早期故障診斷中的有效性。

5 結(jié)論

針對風(fēng)電場的負(fù)載波動大、發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)早期打火現(xiàn)象不明顯、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號的特征信號提取困難、碳刷-滑環(huán)打火隨機(jī)性強(qiáng)等問題，本文提出了一種基于希爾伯特變換的提取特征信號的方法，并將其應(yīng)用于雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)打火故障早期診斷中，最后通過仿真驗(yàn)證了該方法的理論可行性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，為雙饋式風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的碳刷-滑環(huán)出現(xiàn)打火現(xiàn)象的早期診斷提供了新的方法和技術(shù)思路。