風力發電機組在線振動監測系統及現場應用研究

冀賽龍++高偉

【摘 要】近年來，風力發電機組振動狀態在線監測技術在風電場發揮的重要作用越來越得到人們的重視。在線振動監測系統可以及時發現風力發電機組故障的早期振動征兆，揭示故障的原因、程度、部位、發展趨勢等，便于風力機維護，避免和減少重大事故的發生，節約成本。

【關鍵詞】風力發電機組；在線震動監測；現場應用

引言

風電機組工況與一般機械相比較為復雜，時常在變速變載的條件下工作。風電機組在線振動監測系統在風電機組各部件（齒輪、軸、軸承）損壞之前，便能給出設備的運行狀態報告進行預報警，使現場 人員能夠制定合理的維修計劃，及時對設備進行維修，從而避免了由損壞部件的運轉造成關聯部件的損傷。

一、風力發電機組在線振動監測系統架構

對于單個風電機組的發電機，在線監測系統設計包括：聲發射/振動一體傳感器，數據傳輸線，數據采集終端，數據處理軟件。主要采集傳動系統和發電機前后軸承處的聲發射/振動信號，發電機的接地電壓等信號。對于某風電場，采用分層的管理架構對每一臺機組進行實時的狀態監控和故障診斷，監測系統主要分為硬件和軟件兩部分，硬件主要包括振動傳感器、8通道數據采集儀、現場服務器和中心服務器，軟件部分如下圖1：

二、監測系統工作原理

本監測系統主要實時測試布置在風電機組發電機前后軸承座表面的聲發射和振動數據。對于聲發射數據，通過時域信號特征參數統計的分析方法記錄下每一時刻的測試結果，在一個較長的監測周期內進行趨勢分析，確定發電機前后軸承的健康狀況，提早發現發電機內部損傷。對于振動數據，通過頻域信號處理分析確定振動幅值是否超過相關標準要求，并結合機組當前工作狀態，判斷下一步需要進行的動作。

經過對風電機組發電機狀態的長期監測，最終形成一個完整機組部件故障數據庫，為進一步采用FEMA故障診斷方案確定發電機故障來源奠定基礎。

三、監測系統數據管理與分析

監測系統的數據處理包括數據管理部分與數據分析程序，其中數據管理涉及程序管理和權限管理功能，數據分析程序主要對測試數據進行時域特征參數統計和頻域分析處理，利用分析結果，與相關標準和機組當前工作信息一起，對機組發電機健康狀況進行識別。

四、系統功能介紹

（一）振動分析流程

振動分析數據處理流程如圖2所示，頻域處理所包括的速度譜分析是將加速度傳感器得到的加速度信號經過數字積分得到速度信號，再進行分析。

（二）測點部置

進行準確振動分析必須遵循如下的測點選擇原則：一是能夠反映真實振動情況的部位；二是盡可能靠近軸承的承載區，軸承到傳感器之間有堅實金屬。風電機組機械傳動部分主要由主軸、齒輪箱、發電機組成。在各部件軸承位置安放振動加速度傳感器采集它們的加速度信號，同時在主軸葉輪端安放轉速傳感器采集機組的轉速信號。

（三）數據采集

根據各部件轉速的不同設定相應的采樣率，實時采集各部件的振動數據。根據采集周期的不同，可以分為實時數據和波形數據。實時數據主要是反映部件整體振動狀態的時域振動指標，波形數據主要是存儲一段時間內的振動數據。

（四）數據上傳

傳感器采集到的振動數據傳至采集儀，再通過電纜傳輸由機艙頂部傳至機艙底部，經由光纖轉換設備通過機組備用光纖傳至主控室現場服務器，最后通過互聯網將數據上傳到診斷中心服務器。

（五）時域分析

現場數據上傳到診斷中心服務器，首先經過時域處理，時域處理方法主要涉及以下指標：均值、方差、標準差、均方值、有效值、峰值、峰峰值、波形指標、峰值指標和脈沖指標。通過時域指標統計，可以進行定性診斷，卻無法指出具體的故障部位。選取有效值，實時顯示設備各部件的振動總值來反映它們的振動水平。設定不同級別的閾值：報警閾值和警告閾值，通過在風電場采用離線振動設備對現場近300臺次4種機型風電機組振動數據進行分析，對振動閾值不斷地調整和修改，從而總結出不同機型機組相應的閾值。低于報警閾值屬于正常，高于警告閾值屬于嚴重故障狀態，中間階段屬于一般故障狀態。

五、結束語

在線振動監測系統基于振動分析的原理，在機組部件損壞之前對機組運行狀態進行評估，有效避免了現場維護人員采取處理措施的盲目性，對現場機組的危害和管理有著具體的指導意義。

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