基于離線振動數據分析的風電機組故障診斷

內蒙古華電輝騰錫勒風力發電有限公司 張凱 李忠善 王志東

內蒙古華電二連浩特新能源有限公司 肖盛忠

華電電力科學研究院 孔德同

1 前言

風電機組工作在變速變載惡劣工況下，導致主傳動系統故障率居高不下。振動分析作為風電機組常用的檢測手段，具備較好的通用性。然而，由于風電機組主傳動系統結構復雜，尤其是齒輪箱，一般為多級傳動，傳動比達到100左右，內部的多對齒輪嚙合導致信號相互耦合，因此，在利用振動數據分析主傳動系統劣化趨勢時，需要進行詳細的分析及診斷。

2 測試背景及方案

內蒙某風場98號風機于2016年10月份出現異常振動。更換軸承之后9天，機組振動更加強烈。針對該機組出現的問題，現場采集該風電場26、30、65、93和98共5臺風力發電機組的振動信號，并對振動信號進行分析以診斷98號機組故障。

圖1 華銳SL82-1500kW風力發電機組傳動系統簡圖

該機組型號為華銳SL82-1500，主傳動系統由葉片、齒輪箱、發電機等組成。機組機械傳動系統結構簡圖如圖1所示。齒輪箱、發電機參數信息如表1所示。

表1 齒輪箱發電機參數

測試方案如下：

1）針對測試對象發電機進行測試。采集發電機驅動端軸承振動信號和自由端軸承振動直信號，同步采集。

2）針對測試對象齒輪箱進行測試。采集齒輪箱輸出軸振動信號和齒輪箱內齒圈振動信號，同步采集。

3）針對測試對象齒輪箱進行測試。采集齒輪箱中間軸振動信號和齒輪箱內齒圈振動信號，同步采集。

4）為綜合評估發電機振動與齒輪箱振動的相互傳遞，針對齒輪箱和發電機進行聯合測試。采集齒輪箱輸出軸振動信號和發電機驅動端軸承振動信號，同步采集。

5）針對主軸軸承和齒輪箱進行聯合測試。采集主軸軸承振動信號和齒輪箱內齒圈振動信號。

3 數據分析

為了全面評估風電機組的機械部件運行狀態，利用時域分析、頻域分析、時頻分析、綜合分析等方法，多角度評估風電機組運行狀態。

3.1 時域分析

時域分析是機械故障診斷的常用方法。通過正常和故障信號的振動幅值對比，可以大體了解機械設備的故障嚴重程度。選取5個機組發電機驅動端軸承垂直振動信號進行對比，結果如圖2所示。

圖2 發電機驅動端軸承垂直振動信號對比結果

從時域信號可以看出，98號風機振動最大幅值高達50g，明顯高于其他4臺風機?，F場采集時98號風機振感強烈，振動噪聲較大。由振動強度整體分析，初步判斷98號風機異常。

發電機故障通常包括電氣故障及機械故障。由于此次對98號風機測試時并未并網，發電機空轉，因此，排除98號風機發電機諧波共振等電氣故障，初步確定98號風機故障為機械故障。

為進一步分析98號風機振動嚴重原因，對98號風機不同測點的振動信號進行對比，以確定機組故障位置和各部件振動信號之間的相互關系。選取齒輪箱輸出軸和發電機驅動端軸承聯測振動信號進行對比，比較結果如圖3所示。

圖3 98號齒輪箱和發電機聯測信號對比

其中，通道1為齒輪箱輸出軸垂直振動信號，通道2為齒輪箱輸出軸軸向振動信號，通道3為發電機驅動端軸承垂直振動信號，通道4為發電機驅動端軸承軸向振動信號。

從對比結果可以看出，齒輪箱輸出端垂直和軸向振動信號最大幅值僅為發電機驅動端垂直和軸向振動信號最大幅值的1/10左右。因此可以確定：

1）98號機組振動噪聲主要來源為發電機振動。

2）齒輪箱和發電機之間振動信號相互影響較小。

通過以上分析，可以大體確定98號機組故障源為發電機。因此下面著重對發電機驅動端軸承垂直振動信號進行分析（圖2通道3信號），以確定故障產生原因。

3.2 頻域分析

頻譜是信號在頻域的重要特征，它反映了信號的頻率成分以及分布情況。頻域分析是用來處理平穩信號的常用方法。通過傅里葉變換，將時域振動信號在頻域上進行刻畫，可以更直觀地展現振動信號中的周期性成分。

首先對全時段振動信號進行傅里葉變換得到其頻譜如圖4所示。

圖4 全時段頻譜 ：(a)0-10000赫茲和(b) 0-1000 赫茲。

由于整個時段轉速的變化，原始振動信號呈現非平穩特點，即變轉速情況下振動信號為非平穩信號，導致頻譜中頻率成分“拖拉”現象嚴重，幾乎看不到單一、穩定地頻率成分。傳統的傅里葉變換方法在對該組數據分析中失效。針對該組信號的非平穩特性，下面采用時頻分析方法，從時域和頻域同時對信號進行觀察，以全面了解信號特性。

3.3 時頻分析

對于非平穩機電設備的振動信號分析，必須采用既能夠反映時域特性又能夠反映頻域特性的方法，才能提供信號的特性全貌。短時傅里葉變換用一個在時間上可滑移的時窗來進行傅里葉變換，從而實現了同時在時間域和頻率域上對信號的局部特性進行描述。

采用短時傅里葉變換對98號機組發電機驅動端垂直振動信號1～200秒內的數據段進行分析，結果如圖7所示。其中縱坐標代表頻率，橫坐標為時間，白色條紋亮度為對應頻率的振幅（能量）。因此，時頻分析可將信號在時間、頻率、幅值進行三維刻畫，克服單一的時域分析及頻域分析的缺點。

圖5 98號機組短時傅里葉變換結果

由圖5可以看出，時頻圖中存在明顯的諧波分量（如等間隔的白色條紋）。對各諧波分量進行跟蹤，可大體得到發電機的轉速變化過程：從數據采集時刻0開始，發電機轉速緩慢增加，到90秒左右，轉速增加速度加快，在105秒左右升高到一定值保持一段時間不變，130秒左右突然下降然后上升，165秒之后迅速下降直至停機。為了與正常機組時頻圖結果比較，現選取正常機組65號作為比較對象，65機組短時傅里葉變換結果如圖6所示。

圖6 65號機組短時傅里葉變換結果

對兩個機組短時傅里葉變換結果進行對比分析可以得到以下有用信息：

可大體得知發電機轉速波動情況，這為下一步的近似平穩信號時間段的選擇提供了依據。

98號故障機組時頻圖中能量主要集中在高階諧波分量上，轉頻并不是很明顯，65號正常機組時頻圖中能量主要集中的轉頻及其低階諧波上。

98號故障機組隨著轉速的升高，能量逐漸向更高階諧波分量移動，而65號正常機組在高轉速下能量依然集中在200赫茲以下的諧波分量上，高頻區域能量很小。

在98號機組中，350赫茲和530赫茲左右存在兩條明顯的高亮頻帶，猜測原因可能是這兩條頻帶為電機系統的共振頻帶，由于電機的振動激發起了整個系統的共振。

3.4 綜合分析

為了更直觀地展現振動信號的頻率成分，通過觀察時頻圖（圖5），由于98號機組108～110秒時間段的時頻圖振動能量較大，且轉速相對平穩，因此，選取108～110秒時間段數據進行分析。其時域波形和頻譜如圖7所示。從時域波形可以看出，振動信號中存在明顯的周期性成分，周期時間大約為0.063秒，對應頻率為15.8赫茲，與此時轉頻接近。頻譜中出現79赫茲、158.5赫茲、237.5赫茲和317赫茲等明顯頻率成分，分別為轉頻的5、10、15和20倍諧波。

圖7 98號機組近似平穩信號時域波形和頻譜

98號機組原始信號頻譜中，400～1000赫茲頻帶存在大量振動成分，其他機組振動信號在此頻帶幾乎無振動成分。大量高頻振動成分初步分析是系統共振頻率，初步分析原因為發電機內部故障導致系統共振。

為了分析系統共振原因，對高頻共振頻率進行分析。采用共振解調技術對原始信號進行處理。

常用的共振解調技術為采用譜峭度對共振頻帶進行選擇，然后對選擇的共振頻帶進行濾波，對濾波后信號采用希爾伯特變換解調出低頻調制成分。

共振頻帶選擇結果如圖8所示，選擇共振頻帶中心頻率為5625赫茲，帶寬為1250赫茲。將共振頻帶信號進行濾波處理得到濾波信號，然后對濾波信號進行包絡解調得到解調譜，結果如圖9所示。

從圖9中可以看出，經濾波處理之后，共振頻帶的信號沖擊成分更加明顯，但是沖擊成分出現的周期信息不明顯。解調譜中可以明顯看出16赫茲，79赫茲和158.5赫茲頻率成分，分別對應轉頻、5倍諧波和10倍諧波分量，其中5倍諧波和10倍諧波分量與頻譜成分對應。

圖8 共振頻帶選擇結果

圖9 濾波信號和包絡譜

3.5 互相關分析

為進一步分析發電機和齒輪箱振動信號的相互關系，現對齒輪箱輸出端垂直信號和發電機驅動端軸承垂直振動信號進行互相關分析。各機組齒輪箱振動與發電機振動的互相關函數如圖10所示，互功率譜如圖11所示。

正常機組互功率譜中，轉頻成分相當明顯。而98號故障機組只出現了79.25赫茲和158.5赫茲，分別為轉頻16赫茲的5倍和10倍頻，并未出現轉頻成分，主要原因是由于98號風電機組發電機驅動端振動信號中基頻成分調制了共振頻帶，導致頻譜中沒有基頻成分，進而互功率譜中沒有出現轉頻成分。

4 分析總結及下一步建議

圖10 各機組互相關函數

圖11 各機組互功率譜

針對98號機組振動異常現象，對機組振動信號進行分析以判定故障產生原因。首先采用時域分析方法通過對比5個機組的振動信號幅值確定98號機組振動幅值明顯超標。然后采用傳統頻域分析方法對全時段信號進行分析，由于全時段信號轉速變化的影響，傳動頻域分析方法無法對該組數據進行有效處理。

因此，采用時頻分析方法對振動信號的時頻特性進行分析，在此基礎上確定測試時機組轉速變化的大體規律。截取小段近似平穩信號進行頻譜分析和包絡譜分析，對比不同轉速下的頻譜及包絡譜，利用互相關分析，最終得到以下結論：

通過對發電機和齒輪箱聯測信號進行同時分析，發現齒輪箱振動信號幅值僅為發電機振動信號幅值的1/10左右，因此可以斷定發電機振動異常并非齒輪箱振動影響造成，而是電機本身的原因。

98號機組振動信號頻譜中不存在明顯轉頻成分，說明發電機的強烈振動并非由于不平衡引起，據此可以排除不平衡故障。

98號機組振動信號頻譜中并未出現明顯的軸承故障特征頻率，因此電機的強振動并非由于軸承故障所致。

98號風機高頻振動成分較多且能量較大，初步判斷發生系統共振。一般情況下，軸承故障引起機組共振較為常見。然而通過包絡分析，未發現軸承故障。此外，98號機組原始信號頻譜和包絡解調譜中都明顯存在轉頻的5倍頻和10倍頻，據此推斷電機故障可能存在于產生5階諧波分量的部件上，且故障導致發電機共振，因此發電機整體振動強烈，遠遠超過其他機組發電機振動信號幅值。

根據以上診斷結果做出如下建議：

由于測試條件為非并網測試，排除98號發電機電氣故障原因，初步判斷導致98號風機振動偏大原因為機械故障。

以上診斷結果判定98號發電機并不存在不平衡現象，因此發電機無需進行動平衡。

電機強振動噪聲產生的根本原因并非軸承故障所致，但是如果長期在強振動條件下工作，很可能引起各零部件故障的連鎖反應，導致軸承或是其他零部件故障的發生。通過簡單更換軸承等單個零部件達不到根除故障的目的。

發電機振動嚴重超過正常值原因可能是發電機內部故障引起的系統共振，導致振動強烈。建議會同發電機廠家，就系統振動原因做進一步探討，必要時應對電機進行返廠維修，以檢查發電機內部故障情況。