水電機組集成監測系統中鐵心振動分析

萬 元，李朝暉，薛 松

（華中科技大學水電與數字化工程學院，武漢 430074）

引言

國內外水電站的運行經驗表明，定子鐵心的磁振動是水輪發電機發生事故和嚴重損壞的根源之一[4]。因此，有必要對定子鐵心振動進行在線監測，實時了解鐵心振動的大小以及信號特征，以便于更合理地處理發電機運行過程中出現的問題。

水輪發電機定子鐵心振動包括轉頻振動和極頻振動[1]，其中極頻振動中頻率為 100Hz振動可能與定子鐵心的固有頻率非常接近，因此是在線監測的重點。鐵心振動與機組定子電流、勵磁電流、定子溫度等機組的運行參數關聯度比較大[7]。因此，在分析定子鐵心振動時，必須結合機組的運行參數，這樣才能保證監測結果的高可靠性。

本文利用最優維護信息系統（HOMIS）[13,14]提供的水電機組集成監測環境，研究了定子鐵心振動的分析方法：在有效采集鐵心振動信息、計算振動指標數據的基礎上，結合機組的運行狀態，分析鐵心振動特征及狀況，最終實現鐵心的故障診斷。

1 水輪發電機定子鐵心振動特征

水輪發電機的定子鐵心振動分為轉頻振動和極頻振動[1]。

1.1 轉頻振動

定子內腔和轉子外圓之間氣隙不均勻，而在定子和轉子之間產生不平衡的電磁拉力，是大直徑水輪發電機組的主要振源之一[1,3]。當定轉子氣隙不均勻時，大軸每轉一周，定子和轉子之間有一次最小間隙相遇，若正常間隙為δ，最小間隙為α，則氣隙偏差值e=δ?α。在最小間隙處定子、轉子間產生的不均衡磁拉力，可近似地用公式（1）表示[1]：

式中：L、D分別表示轉子高度和直徑（單位：cm）；B表示磁通密度（單位：Gs）。β為無量綱系數，與發電機類型、磁場分布和繞組結構等有關，一般β = 0.2～0.5。因此，定子鐵心轉頻振動的頻率與水輪發電機組運行轉速n之間的關系可由（2）表示。

式中：fsr為轉頻振動的頻率；n為機組轉速。轉頻振動特征是振動頻率為機組轉頻的整數倍，隨氣隙的磁通密度B的增大而加劇。

1.2 極頻振動

水輪發電機的極頻振動主要由定子分數槽繞組引起[1,5,9,10]。分數槽繞組將導致分數次諧波磁場的存在，引起的鐵心極頻振動，基本上分為四種情況：

（1）分數次諧波磁場與基波磁場聯合產生的振動；

（2）兩個分數次諧波磁場共同引起的振動；

（3）單個分數次諧波磁場引起的振動；

（4）分數次諧波與高次諧波磁場共同作用產生的振動。

如果定子電流的頻率為50Hz，則可得（1）、（2）、（3）引起的極頻振動為100Hz。第四類振動的頻率為100Hz、200Hz、……。根據力學分析可知[1,9,10]，冷態下鐵心振動的幅值由振動力波的大小、力波的空間節點次數、力波的頻率及鐵心的固有頻率共同決定。因此，對于常規設計的定子繞組，由于次諧波磁場幅值和高次諧波磁場幅值的幅值很小，它們單獨或者聯合產生的振動對定子威脅不大，最有可能引起鐵心劇烈振動的是基波磁場和那些與基波磁場極對數相差小、旋轉方向相反的次諧波磁場的聯合作用。從而可得出極頻振動具有以下特征：

? 振動主頻為100Hz；

? 設f為定子電流頻率，極頻振動頻率fsp滿足（3）；

? 振動強度與磁場幅值密切相關。

文獻[1]經計算得出，鐵心的固有振動頻率可能出現在100Hz附近，為防止共振，100Hz下的振動幅值是在線監測的重點。

2 鐵心振動與機組運行狀態的關系

2.1 機組運行狀態與鐵心振動力波的關系

定子回路的磁動勢F(x,t)可由（4）計算[4]。

式中：W為每相串聯匝數，kwn為n次諧波的繞組系數(n為正轉磁場時取正，否則為負)，kwn計算可參見文獻[9]、[10]，其取決于電機定子繞組結構；τ1為二級波的極距。I為定子電流（電樞電流）。當不計磁場飽和，且不考慮轉子高次諧波磁勢，由水輪發電機運行矢量圖知[6]，轉子基波磁勢f(x,t)可由(5)表示。

式中：N為勵磁繞組匝數；Kf為常數，即基波對應傅立葉系數；If為勵磁電流，ψ為發電機內功角，p為定子基波極對數。假設空間氣隙均勻，即氣隙磁導Λ為一常數，當氣隙磁導為μ0時，定轉子產生的振動力波q(x,t)由（6）計算。

設 qsr(x,t)表定子和轉子磁場共同作用產生的力波；qss(x,t)表定子磁場單獨產生的力波；qrr(x,t)為轉子磁場單獨產生的力波，則q(x,t)=qsr(x,t)+ qss(x,t)+ qrr(x,t)。結合（4）、（5）、（6）分析可得（7）。

因此，振動的驅動力波由定子電流和轉子電流共同決定。在不考慮在機組不同狀況時定子鐵心與定子機座的耦聯程度差異，僅從定子受力考慮，可得出以下幾點結論。

（1）當發電機空載時，I=0，空間氣隙磁場由 If引起，隨著If增大，振動力波將隨之增大。

（2）發電機帶負荷運行時，由水輪發電機運行矢量圖[6]得定子電流I、勵磁電流If、有功P要遵從一定的協聯關系，可得以下幾點：

? If不變時，I的增大能引起振動力波加大；

? I不變時，If的增大能引起振動力波加大；

? 當P恒定時，由于I和If的數值結構不同，振動力波將存在差異；

“懷舊”，一方面是兩岸聽眾的審美特征，而另一方面也反映出當代華語流行樂壇存在的問題。如當前各個經紀公司在籌劃歌手個人演唱會時，都在打“懷舊”牌，列出該歌手多年來唱過的經典曲目以增加演唱會的市場號召力，讓歌迷到現場“見證青春歲月”。[29]這一方面證明了這些流行歌手的影響力，另一個方面也顯示了整個流行樂壇一定程度上的青黃不接。[29]

? 相對于空載，發電機負載運行時，由于定子電流的出現以及勵磁電流的增大，振動力波顯著增大。

（3）發電機工況變化瞬間，由于水力及其他動力的沖擊，發電機的大軸的振動相對劇烈，定轉子氣隙畸變（偏心嚴重等），導致不平衡拉力加大，定子鐵心的轉頻振動將增大[1,9,10]。

2.2 定子溫度對鐵心振動的影響

在發電機運行過程中，定子鐵心的溫升一般高于定子機座的溫升。當定子鐵心溫度升高時，由于固體的熱脹冷縮特性，定子鐵心受熱膨脹時，與定位筋間的間隙逐漸減少，使定位筋的受力越來越大，從而定子機座與鐵心的耦聯程度逐漸變高，當溫度升高到一定程度時，最終導致機組和鐵心聯合成一個整體振動。因此，在同樣的振動力波作用下，定子溫度將導致鐵心振動的劇烈程度不一致，溫度越高，振動越小。

因此，鐵心振動與機組運行狀態存在較為密切的關系，脫離機組運行狀態來分析定子鐵心振動特征，將容易造成鐵心“共振”現象的誤判，無法得出全面、正確的結論。

3 發電機集成監測環境下鐵心振動分析

為實時了解定子鐵心振動的狀態特征，分析機組不同運行狀況下定子鐵心振動的特征，實現定子鐵心“共振”故障的有效診斷，設計了水輪發電機集成監測環境下的定子鐵心振動分析方法，其框架如圖1所示，具體包括信號獲取、指標計算、集成分析與故障診斷四個方面。

圖1 集成監測系統中鐵心振動分析方法

3.1 信號獲取

信號的獲取指數字測量裝置使用傳感器技術、硬件信號調理技術、采樣技術等獲得反映定子振動狀態的原始信息。信號獲取是定子振動集成監測與分析的物理基礎，其中傳感器實現振動信號由非電量到電量的轉化，信號采樣則實現模擬量到數字量的變換。

3.2 指標計算

指標計算利用原始振動數據計算出反映發電機定子鐵心振動狀態、能夠體現振動本質特征的信息。因此，指標計算直接關系到在線監測結果的可靠性。

現場信號存在干擾，為保證指標計算的真實性，在振動指標計算前必須抑制干擾。本文使用時域計算、傅立葉變換、小波變換等手段計算定子鐵心振動在時域及頻域的指標信息，設機組的轉頻 fr，定子電流頻率為f，鐵心振動的指標信息的詳細內容見表1。

表1 鐵心振動的指標信息

3.3 集成分析

（1）定機組狀態振動趨勢，計算機組運行狀況相同下（即定子電流、勵磁電流、溫度一定時）鐵心振動的隨時間的發展趨勢，評價定子鐵心的性能，診斷“共振”現象是否發生。

（2）變機組狀態振動對比，對比機組運行狀態不同時的鐵心振動的狀況，總結鐵心振動隨機組運行狀態的變化規律。

（3）變工況過程振動分析，分析機組在變工況的瞬態過程中，鐵心振動的特征。對比不同的變工況瞬態過程中，鐵心振動特征的差異。

（4）振動指標評價，實時評價振動指標信息的數值，分析定子振動的劇烈程度。

（5）實驗數據對比分析，對比分析發電機鐵心振動與數字化后的實驗數據，評價定子振動偏離實驗狀態的程度。

3.4 故障診斷

在鐵心振動專家知識庫的基礎上，根據集成分析的結果，實現鐵心狀態評估和故障診斷。專家知識庫的知識由振動理論、實驗結果、專家經驗及歷史積累綜合構成，同時也在實時在線監測的過程中不斷補充。在結合數字化的專家知識[13]及歷史數據的基礎上，本文采用三步完成故障診斷：（1）閾值法則判斷定子鐵心的故障是否存在；（2）模糊理論評價故障的嚴重程度；（3）邏輯推理獲取定子鐵心故障的原因，并給出維護建議。

4 定子鐵心振動在線監測系統

根據以上設計的機組集成監測環境下定子鐵心分析方法，本文利用葛洲壩水力發電廠最優維護信息系統（HOMIS）[13,14]提供的機組集成監測環境下，實現了發電機定子鐵心振動的在線監測與分析。HOMIS的結構如圖2所示[13,14]。

圖2 HOMIS結構

只在 HOMIS的硬件上添加了鐵心振動位移傳感器和硬件信號處理電路，便可實現定子鐵心振動的在線監測與分析，其中硬件信號處理電路完成硬件濾波、信號調理等功能，鐵心振動分析的實現則在 HOMIS上作軟件擴展，主要包括三個方面：

1）信號獲取及指標計算在發電機監測與分析單元（以下簡稱發電機單元）上實現，由于鐵心振動屬于高速變化信號，HOMIS對鐵心振動的采樣率選取為1K/s，根據香農采樣定理，該采樣率能夠最大分析振動頻率為500Hz的振動信號，滿足鐵心振動在線監測的要求。

2）機組綜合監測與診斷服務器（以下簡稱機組服務器）完成了集成分析環境下的鐵心振動分析。其中機組運行狀態參數的獲取通過實時性能好、可靠性高的CAN網實現。集成環境下鐵心振動分析中的實驗參考數據、專家知識等經數字化后直接存儲在機組服務器上[13]，其他相關信息的來源見表2。

表2 鐵心振動分析相關量的獲取途徑

3）采用分布式存儲策略，指標數據存儲在機組服務器上，振動原始數據則存儲在發電機單元上。專家可根據需要通過機組服務器向發電機單元申請原始數據。當發電機單元檢測到機組工況變化（比如機組并網同期）時，自動根據設定的協議向機組服務器發送原始振動數據。

5 現場監測結果

在葛洲壩水力發電廠的 10臺機組上安裝了HOMIS，并實現了鐵心振動的在線監測與分析，積累了大量的定子鐵心振動數據。圖3為某機組在不同運行狀況時對應鐵心振動的頻譜。圖4為某機組在升負荷過程中，不同頻率對應的振動幅值隨有功變化曲線，其中200Hz幅值由于太小，放大10倍后顯示。

圖5為兩臺機組在110MW～120MW負荷區間，鐵心振動峰峰值隨定子溫度的變化曲線。由圖可得出以下4點結論。

（1）定子鐵心的100Hz下振動非常明顯，且在機組負載比機組空載時更為劇烈；在機組甩負荷過程中，機組振動特征較其他運行狀態復雜得多。

（2）機組的運行時，存在6倍和29倍轉頻的振動分量，可能是由機組定轉子間多處氣隙不均勻引起的。

（3）100Hz及200Hz下的振動幅值隨負荷的變化規律基本一致，6倍及29倍轉頻對應的振動隨負荷變化趨勢比較小，且不明顯。

（4）在發電機有功基本一致的情況下，定子鐵心振動隨定子溫度升高呈減小趨勢。

圖3 發電機在不同運行狀況下的鐵心振動頻譜

圖4 加負荷實驗下各頻率分量的振動隨有功變化曲線

圖5 鐵心振動峰峰值隨定子溫度變化曲線

6 結語

（1）分析了大型水輪發電機組定子鐵心轉頻振動和極頻振動的原因及特征，研究了定子鐵心振動與機組運行狀況的關系。

（2）設計了水輪發電機組集成監測環境下定子鐵心振動的分析方法，并介紹了該分析方法中各個功能模塊的具體內容。

（3）利用葛洲壩水力發電廠HOMIS為硬件平臺，實現了定子鐵心振動在線監測與分析，并給出了監測及分析的結果，其監測結果與理論分析基本一致。

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