風力發電機組振動狀態監測與故障診斷

牛亮

（國家能源集團國華河北公司甘陵風電場，河北衡水 053000）

0.引言

風力發電機組的裝機容量越來越大，其結構形式也變得更加復雜，給日常維修和故障診斷增加了難度。異常振動是風力發電機運行中常見的故障類型，根據振動產生原因不同，可分為電磁振動、機械振動等型式。依托信息技術設計一種智能、自動的振動監測系統，能夠實現對發電機組振動工況的實施采集、反饋和分析，一旦監測到異常振動，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，從而為發電機的故障診斷提供輔助[1]。

1.概述風力發電機組振動

1.1 分析整機系統振動

目前，根據風力發電機組研究情況，機組實際運行過程匯總振動故障是比較常見的問題，其原因復雜而且解決難度比較大，如果問題嚴重的化就會嚴重損害機組設備甚至引發重大事故。實際研究工作中，將風機整體系統劃分為搭架-機艙系統、根部剛性固定葉片與傳動系統3部分。風力發電機運行時，發生振動情況后會引起共振問題，比如實際應用過程中，風力發電機自身風載、葉輪轉動與開關等使得風機出現劇烈振動，此種振動引起軸承、齒輪副與聯軸器等部件發生振動最終損壞設備，設備使用壽命與質量受到威脅。

1.2 分析機組偏航系統振動

綜合分析風力發電機組實際應用情況，因偏航系統構建故障概率比較大，小型風力發電機中此種情況比較常見，主要是因轉子周期變化與旋轉力間出現共振。風力發電機組實際運行中，系統承受更大的荷載力，偏航力矩不斷變化引起扭轉震動，特定位置不同方位引起明顯摩擦阻尼與牽制力。

1.3 研究機組葉片振動情況

風力發電機組中葉片部件非常重要，展向長、弦向短且柔韌性好等是多數葉片普遍具有的特點，該部件實際運行中極易發生振動，運動穩定性對風機整體運行質量有著重要的影響。現階段，風機實際運行中，因自身慣性力與重力等因素影響葉片形成激振力，通常振動狀態比較穩定時，靜態發散與顫振情況下引起強烈振動，風力發電機正常運行受到影響。

1.4 分析風機主軸承振動

風力發電機組實際運行過程中，主軸承振動是指滾動軸承各部為結構、工作狀態及受損狀態等因素引起。必須要注意，軸承座傳遞的外界荷載與激勵信號，很大程度上對主軸承振動情況帶來影響，其他因素也會隨機引起主軸承發生振動，根據實際情況分析軸承振動頻譜，其主要包含低頻段、中頻段與高頻段3部分。

2.風力發電機組傳動部件常見故障

2.1 滾動軸承故障

很多風力發電機組所處的環境非常惡劣，因此造成機組零部件容易出現各種故障的現象。風力發電機組故障一般可以分為兩類，包括電氣相關的故障和機械相關的故障。無論哪種故障都會對機組運行造成非常嚴重的影響，當這種故障累積到一定程度的時候，就會對機組造成非常嚴重的影響，甚至會產生重大事故。為了保證軸承正常運轉，從而提升發電質量，需要加強對軸承存在的各種故障進行研究。軸承表面較為光滑、摩擦力比較小，因此在進行安裝與維護過程中較為簡單方便，軸承還承擔著一定的重量荷載，并帶著這種負載一起轉動。風力發電機組有多種不同的軸承，分布在主軸、發電機前后以及齒輪箱等位置。在實際運行過程中，軸承一旦出現故障會嚴重影響機組運行，有可能會造成機組停機的問題，會使得企業因為停機而受到經濟方面的損失。據調查，所有的機械故障中，由于振動產生的故障占70%，而在這些振動故障中，軸承又占了30%。因此在風力發電過程中，會很大程度上受到軸承的影響出現故障[2]。滾動軸承一般有軸承內圈、滾動體、軸承外圈以及保持架4個部分。在設計安裝過程中，如果存在零部件以及工藝上的問題，就會引發故障。在工業生產中，軸承容易受到腐蝕，還會在表面吸附微粒物，會由于承受過重的負載而使得軸承使用時間不長就出現損壞和故障。軸承一旦出現故障，最開始的時候很難發現，這些故障信號會被振動噪聲所淹沒，使得軸承故障沒有被發現而持續惡化，最終完全喪失功能才被發現[3]。

2.2 齒輪常見故障

據調查，齒輪失效在齒輪零部件失效故障中經常發生，發生概率約為60%，因此對于齒輪失效故障應進行必要的分析。在齒輪投入到應用中后，齒輪由于制造不良，或者維護維修不及時就會引發齒輪故障，導致齒輪失去相應的功能。齒輪失效后會隨著熱處理、齒輪材料以及安裝運轉等狀態的不同而不同。齒輪故障主要表現為以下形式。第一，齒形誤差。指的是齒輪齒形與理想的齒廓線偏離，主要有制造誤差、安裝誤差和運行誤差。齒輪在投入使用之后會形成齒形誤差，主要表現在表面不均勻、塑性變形、表面疲勞等。第二，齒輪均勻磨損。指的是齒輪在投入使用后，在嚙合過程中存在材料之間的摩擦，從而造成齒輪磨損的現象。主要有腐蝕均勻磨損和磨粒均勻磨損。在齒輪均勻磨損的時候，不會出現嚴重的齒形誤差，所產生的振動信號也存在一定的差別，因此不歸結為齒形誤差。第三，軸不對中。主要是指在聯軸器兩端，在設計、制造、安裝和使用過程中存在的問題，導致軸系雖然相互平行，但卻出現不對中的問題，使得軸上的齒輪存在分布類型的齒形誤差。振動信號與單一齒輪齒形誤差不同，而軸不對中會導致齒輪存在齒形誤差，從而使得信號存在調制。第四，斷齒。這種故障一旦產生會非常嚴重，主要是包含過載斷齒以及疲勞斷齒這兩種形式。疲勞斷齒是非常常見的一種，在斷齒過程中，沖動能量大，與齒輪誤差與齒輪磨損存在不同。第五，箱體共振產生的主要原因是沖擊能量過大，激勵其齒輪箱箱體的固有頻率，從而產生共振現象。箱體共振產生很大的沖擊能量會造成嚴重的故障，這種振動主要有外部激勵產生的。第六，軸彎曲。這也是箱體中常見的一種故障，一旦出現軸彎曲現象，會造成軸上的齒輪存在齒形誤差現象，這種齒形誤差與單一的齒形故障不同，軸彎曲時軸上的所有齒輪都會產生較大的齒形誤差[4]。

3.風力發電機組故障診斷技術

3.1 分析機組故障診斷

在進行風力發電機組故障診斷過程中需要結合機組自身的復雜結構，還要結合風力發電機組運行的環境進行綜合分析，從而可以得到準確的診斷結果。風力發電機組的結構非常復雜，因此在診斷過程中存在一定的難度。實際診斷工作中應對診斷技術不斷創新，通過診斷技術的革新和理念的革新，使得各類故障在診斷過程中可以更加準確，從而為發電機組的故障診斷提供應有的參考。在風力發電機組故障診斷中，應掌握故障的本質，需要充分結合發電機組的電力參數、壓力、振動、變形、磨損以及溫度等進行故障診斷[5]。

3.2 分析熱力參數

基于電流熱效應，開展溫度監測的故障診斷也是發電機日常檢修中常用的技術形式之一。發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也會更加明顯，進而在故障發生位置表現為發電機組成構件的發熱現象。通過溫度實時監測，將采集到的溫度信號，與發電機標準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，則說明工況良好，反之，則說明存在故障。如果設備長時間處于高溫狀態，除了會導致部件損壞外，還有可能導致跳閘停機，影響正常發電。因此，溫度診斷也是保障風力發電機穩定運行的關鍵技術。在風力發電機組運行中，應通過對熱力參數的分析，也就是對風力發電機組的溫度和濕度進行動態分析，從而解決風力發電機組的問題，使得風力發電機組的發電機、運動電機、齒輪箱以及變流器等大部件和控制柜等溫度可以及時掌握。從而有效地對風力發電機組的人力參數進行分析，有效地監督風力發電機組的運行情況。還應結合機組的熱力參數的變化趨勢，對機組故障結果進行反饋，找到發電機組故障準確的位置，并對故障產生的原因進行分析。

3.3 分析機組運行振動

對于振動的分析與應用，是風力發電機組故障檢測過程中非常重要的方法，可以利用振動傳感器，使其安裝在發電機組內齒輪箱、主軸、發電機、支架等部位，準確地測量機組在運行過程中各個部件的振動狀態。通過傳感器可以有效的反饋振動信號，并對振動進行有效的處理，快速判斷出各個部位的轉動狀態，分析產生振動的原因，并及時解決發電機組的故障。

4.風力發電機組振動狀態檢測與故障診斷系統設計

4.1 系統總體設計分析

系統有3個模塊組成，分別是前端數據采集模塊、集中監測模塊和遠程診斷模塊。該系統運行時，首先由布設在風力發電機各處的前端傳感器，對設備的振動信息進行實時采集，將采集來的振動信號，通過有線網絡反饋給位于風電場升壓站的集中監測系統中，將振動信號轉化為電信號，由計算機對信號進行分析。若存在異常數據，則自動收集該數據的來源位置，確定故障源。最后，將故障基礎信息傳送到遠程診斷模塊，實現遠程在線診斷，并為下一步開展維修提供依據，為了盡可能全面收集振動信息，要挑選合適的監測點位。

4.2 振動狀態分析

某風力發電廠共有4臺1200kW機組，每臺機組分別布置6個振動監測點位。連續進行3d的監測，可以發現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。該監測點是齒輪箱低速軸軸承座，故設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。做好風力發電機故障實時監測、科學診斷，對及時發現問題所在、保障機組穩定運行意義重大。構建故障監測與診斷系統，代替人工實現機組運行的全天候、實時化監測，精準識別故障源、及時采取維修措施，從而讓風力發電機得以正常運行[6]。

5.風力發電機組基于振動分析法的應用

5.1 振動分析法在葉輪中的應用

葉輪在風力發電機組中，可以有效地活動風能部件，受到如重力、氣動力、慣性力等多種循環力的影響，使其處于較為惡劣的環境中運行，因此葉輪是較為容易受損的部位。在調查中發現對于載荷應力檢測方面，國外相應的研發出了葉片的監控設備，也就是說通過對葉片的振動情況的監測，或者對傳感器的信號特征的監測，可以有效地提取葉片運作中的狀態，在結合人工神經網絡，對葉輪進行全面的疲勞分析，對發電機組葉輪故障進行診斷。

5.2 振動分析法在齒輪箱中的應用

齒輪箱的結構非常復雜，齒輪箱中存在著型號不同的軸承，對數很多但是嚙合種類不相同，因此振動圖譜也是非常復雜的，研究發現在齒輪箱故障診斷過程中，可以通過振動狀態來進行分析。先利用傳感器，根據要求布置檢測點，之后將傳感器安裝在齒輪箱的行行星級，通過振動信號測量水平以及垂直方向的振動情況，通過對視域波形圖的以及頻譜圖的觀察和分析，可以有效地觀察和分析出齒輪箱中可能存在的故障。比如，對高速軸水平加速度時域波形圖進行觀察，如果頻譜中峰值很高，并超過了標準，還存在多倍諧譜，從而得到發電機與齒輪箱存在較大的偏差，存在不對中的現象。如果頻譜以及驅動端軸承內圈存在缺陷頻率，則可以說明軸承可能受到損壞。因此振動分析法在齒輪箱故障診斷中有非常重要的作用。

5.3 振動分析法在發電機中的應用

發電機組從正常運行到發生故障，都會有一定的物理反應，比如出現溫度升高、振動或者液油檢測等。發電機主要結構包括定子、轉子、整流器以及電刷等，在對電刷滑環系統分析過程中，由于無法通過常規的方法檢測溫度，因此很多情況下，都可以利用對振動的監測來判斷故障是否出現。有一種基于振動信號的電刷滑環面存在損傷，在檢查故障過程中可以在電刷滑環仿真平臺中，對系統運行前后產生的振動信號進行分析，從而有效地辨別是否存在故障。

6.結語

我國電力行業在發揮在發展過程中，風力發電已經成為非常重要的方向，不僅不會造成污染，還是可再生能源。但在風力發電機組應用過程中，經常會產生一些故障，影響發電機的應用質量。因此需要加強對發電機組振動狀態的堅持和故障診斷工作，在出現異常數據過程中可以及時對設備進行處理，及時做好維護和保養工作，使得發電機可以提升工作效率。風力發電的成本較高，因此做好振動監測和故障診斷工作可以有效的降低損壞程度，降低更換成本，從而促進發電機企業經濟效益的提升。