試論水輪發電機組振動監測與故障診斷系統設計與應用

陳毅鋒（福建棉花灘水電開發有限公司）

試論水輪發電機組振動監測與故障診斷系統設計與應用

陳毅鋒
（福建棉花灘水電開發有限公司）

大型水輪發電機在電網中的作用越來越大，檢修工作也越來越重要。在發電機組檢修的過程中必須根據實際故障狀況制定對策，針對發電機組的常見振動故障，必須建立科學的故障監測和診斷系統。本文結合水輪發電機組的振動原因，提出了振動監測和故障診斷系統的設計方法。

水輪發電機組；振動監測；故障診斷；系統設計

在電力產業不斷發展的過程中，水力資源不斷開發的同時，大中型水輪發電機組的應用越來越廣泛，其在電力系統中所占的比例也越來越大。大中型水輪發電機組的調峰、調頻、調相等作用在電網安全運行中發揮著重要的作用。因此水輪發電機組的故障診斷問題也受到廣泛的重視，一旦機組故障停機，將帶來較大的經濟損失并影響電網的安全運行，故障的監測、診斷和消除對安全運行具有重要的作用。保證水電機組的正常穩定，需要監測運行狀態，發現故障預兆，做好事前維修工作，防患于未然，本文針對水輪發電機組的振動故障展開了探討。

1　水輪發電機組的振動機理和振動原因

1.1水輪發電機組的振動機理

在電力系統中，水輪發電機組的振動動力來自水輪機本身，水的能量成為導致機組這振動的重要原因，水的能量可以激發振動，也可以維持振動。

結合實際振動問題的發生狀況，有些振動取決于水輪機本身的水力性能，也有少部分故障來源于偶然因素[1]。水輪機將機械能轉換為電能的同時，可能由于設計、安裝、運行工況等方面的因素導致發電機內部出現電磁振動。

從水輪發電機組的結構上分析，它主要包括轉動部分、固定部分和支持部分，如果其中任何一個部分存在機械故障都可能導致機組振動，這些振動直接與設計和安裝等因素有關。通常情況下，機組的振動部件主要有上機架、下機架、頂蓋和轉動部分，有時也會涉及到定子鐵芯。

水輪發電機組運行的過程中，受力和旋轉等因素導致的設備振動是難免的，通常用振動參量反映出水輪發電機組的運行狀態，必須考慮到異常振動對設備帶來的危害，因此對水電機組振動原因的分析十分重要。

1.2水輪發電機組的振動原因

1.2.1尾水管內低頻渦帶

針對混流式和軸流定漿式水輪機而言，低頻渦帶是導致振動的主要原因。產生渦帶的主要原因是水輪機的轉輪位置存在一定的水流分速度。針對混流式水輪機而言，在運行的過程中轉輪出口位置會產生強制漩渦，漩渦內部的壓力較小，強制漩渦容易出現空腔汽蝕現象，中心部分的空腔會出現偏心運動，產生的壓力也會不斷變化，進而引發振動。1.2.2尾水管接近轉頻的脈動

尾水管中的一部分脈動壓力，包括一部分中頻和高頻壓力。其中中頻壓力脈動頻率與發電機組的轉動頻率接近，容易導致機組振動，也可能會帶動壓力管道的振動。接近轉頻的壓力脈動普遍存在于水葉的任何開度下，在轉速一定的情況下，頻率也會基本固定。在低頻渦帶出現的范圍內，在低頻的影響下，接近轉頻的脈動將出現不動程度的波動。

1.2.3機組的電磁振動

在水輪發電機組的電磁振動中，可以將其分為轉頻振動和極頻振動。其中轉頻振動的頻率是轉頻的整數倍，主要原因是機械部分存在缺陷，例如發電機組的轉子不規則，這種振動故障在安裝過程中已經存在。極頻振動主要是由兩種不同的磁場相互作用而形成的，例如定子內腔和轉子外圓之間的空隙不均勻，在運行過程在紅釘子和轉子間形成不均勻的磁拉力，成為水輪發電機組振動的主要原因。產生極頻振動的原因有定子不圓、負序電流引起反轉磁勢、分瓣定子合縫間隙大等。

2　振動監測和故障診斷系統設計

水電機組的單機容量不斷增大，機組的維護和檢修工作不斷加重，機組系統的故障將影響機組的正常運行，關系到整個電力系統的安全和穩定，因此必須對水輪發電機組的狀態參量進行持續就監測，技術判斷機組的運行狀態，對機組故障做出分析和診斷，為故障消除提供可靠的依據。

2.1系統結構設計

在振動監測系統中，將其分為重要的機械測量、數據采集、監測分析和傳輸系統幾個部分。從功能上分析，可以將其分為數據采集、狀態監測和故障診斷三個層次。

在狀態監測部分中，需要結合前端數據的基礎，及時判斷出機組的運行狀態，為中央單位提供機組的運行報告。具體而言，狀態監測需要實現簡單的分析工作、快速傅里葉分析、啟停狀態和正常運行狀態的分析、現實不同監視圖像、狀態報告打印等。分析診斷部分需要將所有的狀態信息進行整合，將涉及到的信號分析和函數分析等綜合起來，針對故障發生的原因、部位等給出相應的檢修策略，為機組的故障管理提供指導[2]。

狀態監測系統包括上位機和下位機，其中上位機主要包含中央信息處理器、隔離裝置、WEB服務器和工程師站等，下位機系統主要包含多種不同的屏柜。在該系統在紅，可以增加相應的數據鏡像服務器，利用隔離裝置保證內網和外網隔離，將隔離裝置、中央信息處理器和數據鏡像服務器等構成一個整體。系統運行的過程中，可以利用多種不同的傳感器將采集到的物理信息號轉換為電信號，將電信號及時傳送到狀態監測系統中，實現多種信息的收集和處理，最終得出機組運行狀態的可靠信息，例如圖表、特征參數等，再將這些信息統一存儲在服務器中。

2.2硬件設計

2.2.1網絡設計

系統中的局域網采用雙冗余的高速以太網，為了保證數據的可靠傳輸，可以利用數據采集單元和預處理單元實現自動監測，如果一套網絡系統傳輸失敗們可以自動選擇林一套網絡系統進行數據傳輸。

2.2.2下位機設計

不同機組的信號采集和預處理都需要應用一個標準機柜實現，將標準機柜安裝在機組附近，它主要包括顯示器、信號采集和預處理等單元，狀態監測系統中包含集中組屏，機柜內有傳感器的直流電源、顯示器、共享器、UPS電源和信號采集預處理單元[3]。

機柜內的電源可以保證不同傳感器的正常工作，應用接線端子連接傳感器信號和輸出信號，將采集的信號技術傳遞到預處理單元中。系統中的信號采集和預處理單元完成信號電氣結構的處理，實現信息的同步采樣。對采樣后的數據進行分析后，提取出機組工作的特征參數，整合機組的工作狀態，實現報警和記錄等功能，利用網絡將數據傳遞到狀態服務器中，進行下一步的狀態監測和數據分析。信號采集和監測系統為工程師提供可靠的數據，完成信號的調試、參數設定、系統自檢等功能。機柜內的設備連接如圖1所示。

圖1　機柜內設備連接示意圖

總而言之，預處理單元接收傳感器采集的信號，將采集的信號及時傳遞到數據服務器中，預處理單元發揮承上啟下的作用，將信號采集系統和預處理單元整合后就可以接入狀態監測網絡中[4]。

針對振動、擺動和壓力脈動信號，可以借助信號采集和預處理單元為系統配置專用的設備，對多種振動、壓力脈動等信號信號采集和預處理。內部應用PC平臺，將信號隔離系統、開關量輸入和同步采樣系統等整合起來。針對振動、擺動和壓力脈動等信號采集和預處理單元而言，它也發揮出承上啟下的作用，接收傳感器傳來的信息，將信息傳遞給數據服務器，通過計算整理后得出需要的機組運行狀態信息，將多種信息及時記錄在存儲器中。

2.3軟件設計

在系統總體結構分析的基礎上，概括出水電廠局域網內部的數據流圖，見圖2。

機組的狀態信號包括振動位移、速度和壓力脈動等，將這些信號以模擬電流和電壓的形式傳遞到信號采集和預處理系統中，預處理單元將這些信息技術轉換為計算機可以識別的數字信號，預處理單元提取出的時域數據派生出多種特征數據，將多種數據提供給狀態數據服務器，工程師站可以直接與狀態數據服務器進行連接，狀態數據服務器也是整個數據流的核心[5]。

該系統的故障診斷部分包括報警系統、故障參數量化分析系統等。報警系統可以獲取在線狀態信息，將故障內容反映出來，觸發自動診斷系統。故障參數量化分析系統可以直接反映出對應機組的故障。在系統設計過程中，需要結合常規分析算法，整合不同的過程分析方法，明確水輪發電機組的故障特點，在分析不同故障的過程中，選擇對應的分析工具，并生成相應的狀態報告。

圖2　局域網內部數據流

3　結束語

發電機組的故障監測和診斷是保證電力系統正常運行的重要方法，本文結合水輪發電機組的振動機理和振動原因，提出了故障監測和診斷系統的設計，該系統可以完成故障信號的及時采集，將信號傳輸到數據處理服務器中，具有高效、簡單的特點，可以為相關系統設計提供研究依據。

[1]張曉莉.基于WSNs的水輪發電機組振動監測系統設計[J].傳感器與微系統，2012，31（1）：13.

[2]代紅.水輪發電機組振動狀態監測與故障診斷系統研究與應用[D].三峽大學，2012，22（2）：25.

[3]吳長利，王輝斌.水輪發電機組振動在線監測系統設計選型及維護[J].湖南電力，2011，21（4）：151.

[4]劉玉剛.水輪發電機組振動監測與故障診斷系統設計與應用[D].西安理工大學，2013，25（5）：210.

[5]孔祥彬.水輪發電機組狀態監測與故障診斷系統設計與應用[D].西安理工大學，2010，12（1）：26.

TV738

A

1673-0038（2015）52-0225-02

2015-12-5