風電機組振動監測和故障診斷

胡玉輝

國華愛依斯（黃驊）風電有限公司

風電機組振動監測和故障診斷

胡玉輝

國華愛依斯（黃驊）風電有限公司

風電機組往往布置在環境較為惡劣、交通不暢的地方，使機組部件的檢修與維護困難較大。振動監測是在主軸、齒輪箱和發電機組等主要部件處，通過傳感器布置振動監測點，監控中心根據各個監測點提供的振動信號進行分析，并診斷部件故障情況。這種方法對于風電機組的狀態監測與故障診斷有顯著的效果。

風電機組；振動監測；故障診斷；振動信號

風電機組往往布置在高山、草原甚至海邊等交通不暢的地方，機組運行時會受到惡劣運行環境的影響，風速不穩定導致機組在并網發電時，齒輪箱、軸和軸承等傳動部件容易損壞，由于這些地區維修條件較為不利，使風電機組狀態監測與故障診斷面臨的困難較大。運用振動監測，則可以在風電機組傳動部件發生故障之前，根據其運行狀態進行預警，使維修計劃更為合理、及時，是保障風電機組部件運行穩定性的有效方法。

一、風電機組振動監測系統設計

風電機組振動監測系統主要由振動信號采集系統、風電場集中監測系統、遠程診斷中心組成。將各振動監測數據信息經由局域網傳輸至風場集中監控系統中，再由廣域網傳輸至遠程監控診斷系統，遠程診斷中心根據數據庫信息，對監測數據進行及時分析，預測并診斷機組故障。根據風電機組的結構特點，振動監測點一般布置在機組軸承、齒輪箱、發電機組上。將低頻振動傳感器安裝在主軸與齒輪箱輸入軸兩處，振動速度傳感器安裝在行星齒輪外齒圈、齒輪箱輸出軸、發電機組前軸與后軸等處，通過這些振動監測點，對風電機組振動狀態進行全方位監測。

二、風電機組故障診斷

（一）測取振動信號

測取振動信號的工作主要是測量機組啟動加速、并網發電時各個振動監測點及其周圍的振動情況。機組在加速過程中，在臨界轉速區時，觀察機組主軸、齒輪箱與發電機組的振動超標情況。當轉速達到臨界值時，轉子的共振振幅就會加大，甚至可能因軸系質量不平衡導致超標，以此共振振幅作為機組振動情況評價的直接依據之一。在高轉速區時，風電機組就能夠并網發電，觀測此時主軸、齒輪箱和發電機的振動頻率，并分析其振動是否正常。風電機組在風速過高或過低時，都可能會出現制動停機，需要觀測此時的振動情況，分析其是否可能會威脅到機組安全。

（二）分析振動信號

振動信號的分析即針對振動參數變化進行分析，一般是通過波德圖、頻譜圖和趨勢圖等圖譜進行分析。波德圖是對風電機組在啟動加速過程中主軸、齒輪箱與發電機組振動情況的反映，對于臨界轉速區的振動情況有更為精確的反映。如，某發電機組主要部件在其主軸承振動裂度位于2.0-3.2mm/s、齒輪振動裂度位于3.5-5.6mm/s、發電機組振動裂度位于6.0-10.0mm/s范圍內時，表明其振動良好。該機組啟動加速時，發電機組振動加速至1600r/ min，而主軸則加速至22r/min，齒輪箱輸入軸振動情況則與主軸基本同軸，根據其固定振動參數分析，則表明加速時，該機組主要部件振動平穩性較好，振動良好。頻譜圖分析主要是針對齒輪箱輸入軸振動情況的分析，而趨勢圖的分析則主要是針對齒輪箱輸出軸振動情況的分析。除圖譜分析外，還有時域特征分析，頻域分析與包絡分析。時域分析能夠直接反映風電機組振動狀態，在經過硬件濾波后，風電機組的振動信號波形會出現出顯著的特征，根據時域波形所傳達的信息量，就可以對振動過程中的變化規律進行分析。頻譜分析是對于振動信號頻域進行分析，有自頻譜、倒頻譜、幅值譜等不同角度分析方法。包絡分析對于軸承振動信號的監測效果較為顯著，并且能夠用于信號統計中。

（三）故障診斷

風電機組主軸、齒輪箱、發電機組的損壞主要包括齒面磨損和齒輪斷裂、軸承磨損與軸承松動等。初期磨損時，其振動情況會直接反映在振動信號中，根據信號頻譜能夠分析其特征頻率，并做出故障診斷；故障逐步發展，會影響到功率傳遞，加大噪音，油溫與軸溫逐步升高；故障中后期，由于受損部位已經有了長時間的重新磨合，其振動特征信號會出現下降現象，噪音則升到最大，溫度反應較為穩定。由此可見，振動監測對于設備初期故障的診斷與預警有重要作用，根據故障發展程度，采取相應的維修措施。

三、實例分析

某風電場風安裝了風電機組振動監測系統，其振動信號數據能夠實時傳輸至遠程監控診斷中心。在機組運行過程中，機組低速軸振動監測點出現了異常沖擊振動信號，信號具有強烈的周期性，風電場監控系統將數據反饋至監控中心后，維護人員在現場通過實際檢查確認了這些振動信號。該振動傳感器采樣率在46.5kHz，分析與沖擊信號時間間隔相同的振動信號后，得出了相應的時域波形圖，兩者相比，異常振動信號的時域波形圖中有強烈的沖擊信號，正常振動信號峭度指標是2.62，而異常振動信號峭度指標高達18.05，其異常情況極為顯著。再對振動信號作傅里葉轉換分析，并繪制兩種信號的頻譜圖，異常振動信號在頻譜幅值上出現了整體性的增加，而非某一個頻率的幅值突然增加，與軸承缺陷的特征頻率不相符，證明該異常情況并非由軸承缺陷引起。維護人員現場勘察，分析軸承結構，并咨詢設備廠家后，確定該異常情況的產生原因在于低速軸套皮管出現松動。將異常振動信號與正常振動信號的兩種頻譜成分繪制為差值譜后，證明了異常信號的頻譜成分幅值呈整體的增加現象，驗證了監測系統與維護人員分析結果是準確無誤的。

該發電機組主軸是采取前后軸承相支撐的結構，齒輪箱則是由2級行星級和1級平等軸組成。在某個運行時刻，齒輪箱后端有一個時長為1s的振動信號，此時，兩臺機組在振動幅度上仍然較為接近，而2號機組的齒輪箱振動信號的周期性沖擊則較為明顯，相比1號機組，振動信號有效值仍然維持在0.182m/s2附近，但其峭度指標卻突然上升為3.77，顯著高于1號機組的3.08，信號中的沖擊成分以0.038s為周期，頻率則是26.3Hz左右，與齒輪箱輸出軸旋轉頻率相接近，說明2號機組高速齒輪箱出現了故障。

結語

振動監測系統，通過對各振動監測點的振動信號采集與分析，根據機組各部件振動信號特征參數，結合診斷系統與專家經驗，對風電機組主軸、齒輪箱和發電機組的運行異常進行及時的分析與診斷，為風電機組維護技術提供詳細的依據，縮短了故障時間，提高了機組運行穩定性。

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