水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械故障的電氣信號特征分析

顧 寅

（安徽省蚌埠閘工程管理處，安徽 蚌埠 233000）

轉(zhuǎn)子失衡是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中較為普遍的一類振動故障，傳統(tǒng)的故障診斷方法通常采用振量值作為信號源，但其影響因素多，且不同測量點(diǎn)的幅值、幅值差異很大，致使分析結(jié)果可信度低，容易出現(xiàn)誤判，而用電量作為信號源，則能很好地解決上述問題。

1 水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子振動故障原因分析

在水電站運(yùn)行全過程中，其所監(jiān)控的各類信號包含著機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的多種信息。如果單元出現(xiàn)故障，它所監(jiān)控的信號也將發(fā)生改變。在此基礎(chǔ)上，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子典型振動故障的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了研究，并對故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，得到了相應(yīng)的故障特征。通過深入研究轉(zhuǎn)子振動故障的本質(zhì)，能夠更清晰地把握其發(fā)生及發(fā)展的整個過程，進(jìn)而構(gòu)建出更為合理的故障模型，為后續(xù)的理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證奠定理論基礎(chǔ)。水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡是轉(zhuǎn)子振動故障中最常見的一種，現(xiàn)有的故障診斷信號來源多為振量值，因此，若將其作為信號源，能否實(shí)現(xiàn)。

1.1 電磁干擾引起的振動

發(fā)電機(jī)匝間短路是一種較為普遍的故障類型[1]。這直接關(guān)系到電動機(jī)的安全運(yùn)行。定子線圈短時匝間短路，雖然不會對電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生很小的影響，但是由于其特性并不明顯，故在生產(chǎn)實(shí)踐中往往被忽略。但是，長時間運(yùn)行后，匝間短路可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組的一、二點(diǎn)接地。這種情況下，電機(jī)的大軸容易燒壞，轉(zhuǎn)子的振動很大，而且轉(zhuǎn)子容易被磁化。轉(zhuǎn)子匝間短路時，氣隙磁場會發(fā)生畸變，并聯(lián)支路之間會出現(xiàn)高次諧波，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，這會使繞組發(fā)熱增大，進(jìn)而影響到發(fā)電機(jī)的無功功率，造成機(jī)組振動，增加軸壓，燒壞轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)，最終導(dǎo)致筘座和大輪軸產(chǎn)生磁場，造成軸承瓦及大軸燒壞的嚴(yán)重事故。因此，準(zhǔn)確地判定繞組中是否出現(xiàn)了匝間短路，并采取相應(yīng)的措施，對解決這一問題具有一定的實(shí)際意義[2]。

轉(zhuǎn)子在電磁諧振作用下，其振動幅度隨有功、勵磁電流增大或減小，且對負(fù)載變化十分敏感。但在額定速度下，激磁電流的增加或減少對振動的影響不大。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)諧振元件出現(xiàn)時，只能通過改變其結(jié)構(gòu)，增大或減小其結(jié)構(gòu)剛度，以避免其三階諧波成分的影響。

1.2 機(jī)械原因引起的振動

若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸心位置與轉(zhuǎn)軸有偏差，轉(zhuǎn)子在離心力的影響下會發(fā)生受迫振動，稱為不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子中心位置的慣性主軸偏離轉(zhuǎn)軸時，由于離心力的作用，轉(zhuǎn)子會發(fā)生受迫的振動，也就是質(zhì)量的不均衡[3]。轉(zhuǎn)子失衡是發(fā)電機(jī)最常見的一種振動故障，其原因主要有：其發(fā)生率超過80%。近年來，國內(nèi)外大型發(fā)電機(jī)制造廠對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加工和裝配精度以及電站設(shè)備的維修水平的不斷提高，轉(zhuǎn)子不均衡故障的數(shù)量在逐年下降。現(xiàn)在所有的電機(jī)廠都已經(jīng)能在生產(chǎn)前對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行快速均衡，一些發(fā)電廠也開始淘汰舊的動平衡機(jī)，改用更先進(jìn)的移動動平衡機(jī)。即使這樣，由于質(zhì)量失衡而導(dǎo)致的機(jī)組振動依然是機(jī)組最大的問題。由于轉(zhuǎn)子不平衡引起的轉(zhuǎn)子振動的幅值及方向已有明確的規(guī)定，在實(shí)際應(yīng)用中可采用動平衡的方法加以消除。除了質(zhì)量不均衡外，還存在轉(zhuǎn)子的熱彎曲、轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在可移動構(gòu)件引起的不均衡等問題，這些非均衡的幅值和方向具有一定的可變性，在實(shí)際應(yīng)用中很難用均衡方法加以消除。此外，由于機(jī)組密封片磨損過大，轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)了熱膨脹，從而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子的機(jī)械振動。

2 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動故障的電氣信號特征分析

2.1 垂直振動量故障診斷有效性分析

讓電機(jī)在50Hz 的情況下無負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)到額定工作狀態(tài)[4]。然后，向平衡環(huán)施加42g 的失衡質(zhì)量，對電動機(jī)的無負(fù)載電壓進(jìn)行測定，并對它進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換（FFT）分解。加工結(jié)束后，按相同程序添加不對稱重量80g 和118g，測試空載電壓，用FFT 分解。分析了負(fù)荷不對稱對系統(tǒng)無功功率和頻率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子頻率為50Hz 時，在不添加不平衡量（零質(zhì)量）的情況下，垂向幅值為0.02V；當(dāng)不均衡重量42g 時，垂向幅度為0.05V；在不均衡重量80g 的情況下，垂向幅度為0.07V；當(dāng)不平衡重量118g 被添加時，垂直幅度是0.10V。由此可以看出，當(dāng)不對稱質(zhì)量增大時，電動機(jī)在空載時豎向振動量也隨之增大。并對4 種非對稱質(zhì)量在25Hz、50Hz 情況下的垂向幅度進(jìn)行了驗(yàn)證。

由圖1 可以看出，在不添加不平衡量的情況下，電動機(jī)在不同頻率下的豎向振動量是一致的。當(dāng)頻率為25Hz 時，縱向振動振幅隨不平衡質(zhì)量的增加而增加。在118g 不平衡量的情況下，馬達(dá)在50Hz 頻率下的豎直幅度是0.10V，25Hz 頻率下的豎直幅度為0.14V。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不平衡質(zhì)量較大時，其自振頻率較小，垂向振動較大，因此，利用豎向振量進(jìn)行設(shè)備故障診斷具有可行性。

圖1 垂直信號振幅隨不平衡質(zhì)量變化的特征曲線

2.2 水平振動量故障診斷有效性分析

機(jī)械發(fā)生故障時，除了垂直不正常的振動外，還會有水平方向的異常振動。測量橫向振動量，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，其測試方法和上述一樣，不再重復(fù)。測試結(jié)果顯示，不加入不平衡度（不平衡度是0），當(dāng)電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩為50Hz 時，其水平幅度為0.03V；當(dāng)42g 的非均衡質(zhì)量被添加后，其水平幅度是0.07V；添加80g 非均衡質(zhì)量后，其橫向幅度為0.11V；當(dāng)添加118g 的非均衡質(zhì)量時，其水平幅度為0.14V。從以上數(shù)據(jù)的變化規(guī)律可以看出，在50Hz 特性頻率下，由于不對稱質(zhì)量的增多，其橫向振動也隨之加劇。在此基礎(chǔ)上，對4 種不同的不平衡質(zhì)量在25Hz 特征頻段上的水平振幅進(jìn)行了對比分析，得到了與實(shí)測數(shù)據(jù)一致的結(jié)果，結(jié)果如圖2 所示[5]。

圖2 水平信號振幅隨不平衡質(zhì)量變化的特征曲線

由圖2 可知，當(dāng)沒有附加不平衡量的情況下，當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為50Hz 的時候，它的橫向幅度比25Hz 時的小。然而，當(dāng)不平衡量的質(zhì)量越來越多時，在25Hz 左右的空載情況下，電動機(jī)的橫向幅值就會迅速增大，并且在20g 不平衡量的情況下，其轉(zhuǎn)矩已經(jīng)超過了50Hz。當(dāng)不平衡量最大（118 克）時，在50Hz 旋轉(zhuǎn)頻率下，空載運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)的橫向幅度為0.10V；而頻率為25Hz 的電動機(jī)，其橫向幅度只有0.14V。同時還表明，在高轉(zhuǎn)速時，不對稱質(zhì)量越大，因此，用側(cè)向振動量作為診斷發(fā)電機(jī)故障的方法具有一定的可行性。

2.3 空載電壓電氣量故障診斷有效性分析

通過對這兩種類型的發(fā)電機(jī)的空載電壓特性試驗(yàn)，證實(shí)了用振動量來診斷發(fā)電機(jī)的故障是可行的[6]。然后，進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載電壓和電量測試，以實(shí)測電量特性為輔助，檢查設(shè)備的機(jī)械故障。試驗(yàn)中，將電動機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)到額定工作狀態(tài)，向平衡環(huán)中加入0g，42g，80g，118g 的不平衡量，并對其進(jìn)行全譜分析。經(jīng)過FFT 處理后，將振幅作為y 軸，不平衡量作為x 軸，得到同一頻率下4 個不平衡質(zhì)量的A 相振動幅度。例如，在沒有添加不均質(zhì)（不均質(zhì)是0）的情況下，A 相的電壓頻率是100Hz，而電壓幅度是0.48V；當(dāng)添加42g 的不平衡質(zhì)量時，得到0.53V 的電壓幅度；在80g 的非平衡質(zhì)量的情況下，電壓幅度為0.55V；當(dāng)添加118g的不平衡質(zhì)量時，電壓幅度是0.59V。從這些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律可以看出，當(dāng)電壓和頻率相等時，當(dāng)不對稱質(zhì)量越大時，電壓幅值越大。然后，用該方法測量了100Hz 時B、C 相電壓幅值隨4 種不均衡質(zhì)量的變化，并將其橫向比較，其結(jié)果顯示在圖3 中[7]。

圖3 不均衡質(zhì)量改變時電壓信號幅度的特性曲線

從圖3 中我們可以得出以下兩點(diǎn)：首先，100Hz 時，三相電壓幅值隨不對稱品質(zhì)的增大而呈同步變化；其次，當(dāng)頻率和不對稱質(zhì)量相等時，各個相的電壓幅值存在一個規(guī)律，即C＞A＞B。同時，還說明了發(fā)電機(jī)空載電壓和電量的譜特性可以用來判別機(jī)組的不對稱故障[8]。

2.4 誤差分析

為了排除隨機(jī)誤差，我們選擇了三組的實(shí)驗(yàn)，剔除了有顯著誤差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后對剩余的數(shù)據(jù)求平均值，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度得到很大的提高。此外，由于機(jī)組長時刻在非平衡狀態(tài)下工作，很容易引發(fā)其它類型的故障，也有可能發(fā)生不均衡狀態(tài)的疊加，因此，由測試得到的資料，僅能作定性的分析。本試驗(yàn)將發(fā)電機(jī)平放在地面上，并在發(fā)電機(jī)底部加裝橡膠襯墊，以避免機(jī)組在工作過程中由于振動而發(fā)生偏移，但在實(shí)際試驗(yàn)中，仍發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在非平衡狀態(tài)下會出現(xiàn)較小的左右搖擺，從而造成測量結(jié)果的不穩(wěn)定，因此所引起的試驗(yàn)誤差并未計(jì)入試驗(yàn)結(jié)果。

2.5 不同頻率下電氣量頻譜特征對比

理論分析認(rèn)為，當(dāng)不平衡質(zhì)量為固定值時，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生不對稱故障時，這種電機(jī)的無功功率具有二次頻率特性，其大小與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)。為檢查在不同頻率處多個非對稱質(zhì)量引起的電壓幅值，用記號標(biāo)出平衡環(huán)，將不同品質(zhì)的不銹鋼板依次放置。本文記錄了82g 不均衡質(zhì)量時的電功率頻譜特征，見圖4。

圖4 82g 不平衡質(zhì)量下的不同頻率對比

3 結(jié)語

試驗(yàn)證明，利用振動幅值和通氣量的譜特征能夠識別出非對稱的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不對稱故障，這兩個參數(shù)都隨著非對稱質(zhì)量的增加而增加。結(jié)果表明：當(dāng)電壓頻率恒定時，電壓幅度隨本征頻率的升高而先增后減，該規(guī)律與本征頻率為二倍、振幅與非對稱成比例的理論推論相一致，為利用電氣參數(shù)進(jìn)行不平衡診斷提供了可能。