水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械故障的電氣信號(hào)特征分析

李睿智 李家賢

（五凌電力三板溪水電廠(chǎng)，貴州 錦屏 556700）

轉(zhuǎn)子不平衡是一種比較常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障，傳統(tǒng)的故障診斷大多將振動(dòng)量作為信號(hào)源，但是因?yàn)橐鹫駝?dòng)的原因較多，加上不同測(cè)點(diǎn)獲得的振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)幅值也有明顯差異，導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果的可靠性不高，經(jīng)常出現(xiàn)誤判的情況。相比之下，以電氣量作為信號(hào)源，則不存在上述問(wèn)題，因此基于電氣信號(hào)特征分析所得的故障診斷結(jié)果具有更高的可靠性，可以作為水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障排查與維修的依據(jù)。

1 水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障原因分析

1.1 電磁干擾引起的振動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組在測(cè)量轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)時(shí)通常選擇電渦流式傳感器，其檢測(cè)原理為：當(dāng)含有高次諧波電流的線(xiàn)圈靠近被測(cè)金屬時(shí)，線(xiàn)圈中的高次諧波電流產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)，會(huì)在金屬表面生產(chǎn)電流（即電渦流），利用傳感器可以測(cè)得電渦流的大小。但是電渦流會(huì)因?yàn)榫€(xiàn)圈與被測(cè)金屬距離的不同、幾何尺寸的差異，以及磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率的影響，而出現(xiàn)不穩(wěn)定變化。這就導(dǎo)致傳感器在測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)時(shí)容易受到干擾，甚至在轉(zhuǎn)子振動(dòng)量較大時(shí)直接導(dǎo)致跳機(jī)，由此引發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障。除此之外，像電動(dòng)機(jī)的氣隙不均勻引起轉(zhuǎn)子偏心故障，或者轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障等，也都會(huì)因?yàn)殡姶鸥蓴_導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)。

1.2 機(jī)械原因引起的振動(dòng)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是引起轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)的一種常見(jiàn)原因，在轉(zhuǎn)子的各類(lèi)振動(dòng)故障中，由于質(zhì)量不平衡引起的故障占到80%。所謂轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸偏離其旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，并且在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受到離心力的影響迫使轉(zhuǎn)子發(fā)生不規(guī)則振動(dòng)。當(dāng)這種異常振動(dòng)的振幅過(guò)大、頻率過(guò)高時(shí)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子機(jī)械故障。導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的原因較多，例如零件加工制造時(shí)熱處理不當(dāng)，殘余應(yīng)力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲變形，或者是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間聯(lián)軸器、槽楔等發(fā)生位移、脫落等，都會(huì)引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。除此之外，像發(fā)電機(jī)密封瓦嚴(yán)重磨損、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈受熱膨脹等，也有一定概率導(dǎo)致轉(zhuǎn)子機(jī)械振動(dòng)故障。

2 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的電氣信號(hào)特征分析

2.1 垂直振動(dòng)量故障診斷有效性分析

讓電機(jī)空載運(yùn)行至額定工況，此時(shí)轉(zhuǎn)頻為50Hz。然后在平衡環(huán)處加上42g 不平衡質(zhì)量，隨后測(cè)得電機(jī)的空載電壓，并進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）分解。完成處理后，按照同樣的操作方法分別加入80g、118g 不平衡質(zhì)量，分別測(cè)量空載電壓并進(jìn)行FFT 分解。完成上述操作后，觀(guān)察空載電壓的頻率與不平衡質(zhì)量的關(guān)系。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)頻恒定為50Hz 時(shí)，未加入不平衡質(zhì)量（不平衡質(zhì)量為0）時(shí)，垂直振幅為0.02V；加入42g 不平衡質(zhì)量時(shí)，垂直振幅為0.05V；加入80g 不平衡質(zhì)量時(shí)，垂直振幅為0.07V；加入118g 不平衡質(zhì)量時(shí)，垂直振幅為0.10V。由此可見(jiàn)，隨著不平衡質(zhì)量的增加，電機(jī)空載運(yùn)行是垂直振動(dòng)量也會(huì)相應(yīng)增加。進(jìn)一步的驗(yàn)證了轉(zhuǎn)頻在25Hz 和50Hz 時(shí)，4 種不平衡質(zhì)量下的垂直振幅，結(jié)果如圖1所示。

圖1 垂直信號(hào)振幅隨不平衡質(zhì)量變化的特征曲線(xiàn)

結(jié)合圖1 可知，在未加入不平衡質(zhì)量時(shí)，不同頻率下電機(jī)空載運(yùn)行的垂直振動(dòng)量一致。但是隨著不平衡質(zhì)量的增加，25Hz 轉(zhuǎn)頻下電機(jī)垂直振幅的增加更為明顯。在不平衡質(zhì)量為118g 時(shí)，50Hz 轉(zhuǎn)頻下電機(jī)垂直振幅為0.10V，而25Hz轉(zhuǎn)頻下電機(jī)垂直振幅達(dá)到了0.14V。由此可得，不平衡質(zhì)量越大，特征頻率越低，則垂直振動(dòng)越劇烈，故而基于垂直振動(dòng)量的發(fā)電機(jī)故障診斷是可行的。

2.2 水平振動(dòng)量故障診斷有效性分析

發(fā)電機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)，除了垂直方向上的異常振動(dòng)外，在水平方向上也會(huì)同樣表現(xiàn)出異常振動(dòng)。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)水平振動(dòng)量進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)方法與上文一致，不再贅述。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在電機(jī)空載轉(zhuǎn)頻恒定為50Hz 時(shí)，未加入不平衡質(zhì)量（不平衡質(zhì)量為0）時(shí)，水平振幅為0.03V；在加入42g 不平衡質(zhì)量后，水平振幅為0.07V；在加入80g 不平衡質(zhì)量后，水平振幅為0.11V；在加入118g 不平衡質(zhì)量后，水平振幅達(dá)到了0.14V。基于上述數(shù)據(jù)變化規(guī)律可知，當(dāng)電機(jī)在特征頻率為50Hz 工況下運(yùn)行時(shí)，隨著不平衡質(zhì)量的增加，水平方向上的振動(dòng)越劇烈。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)驗(yàn)證了電機(jī)在特征頻率為25Hz 時(shí)，4 種不平衡質(zhì)量下的水平振幅，并進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋Y(jié)果如圖2 所示。

圖2 水平信號(hào)振幅隨不平衡質(zhì)量變化的特征曲線(xiàn)

結(jié)合圖2 可知，在未加入不平衡質(zhì)量時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)頻為50Hz 時(shí)，其水平振幅要略高于25Hz 時(shí)。但是隨著不平衡質(zhì)量的增加，25Hz 轉(zhuǎn)頻下空載運(yùn)行電機(jī)的水平振幅開(kāi)始快速增加，并在不平衡質(zhì)量為20g 時(shí)超過(guò)50Hz 轉(zhuǎn)頻下的電機(jī)。在不平衡質(zhì)量達(dá)到最大值（118g）時(shí)，50Hz 轉(zhuǎn)頻下空載運(yùn)行電機(jī)的水平振幅為0.10V；而25Hz 電機(jī)的水平振幅為0.14V。這也說(shuō)明隨著不平衡質(zhì)量的增加，高轉(zhuǎn)頻下電機(jī)的水平振動(dòng)量較小，因此基于水平振動(dòng)量進(jìn)行發(fā)電機(jī)故障診斷也具有可行性。

2.3 空載電壓電氣量故障診斷有效性分析

上述兩種發(fā)電機(jī)空載電壓特性實(shí)驗(yàn)證明了可通過(guò)振動(dòng)量進(jìn)行故障診斷。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展空載電壓電氣量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電氣量特征作為補(bǔ)充依據(jù)，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)組機(jī)械故障診斷的有效性。實(shí)驗(yàn)方法為：使電機(jī)空載運(yùn)行至額定工況，然后分別在電機(jī)平衡環(huán)處加入0g、42g、80g 和118g 的不平衡質(zhì)量，分別測(cè)量A 相電壓信號(hào)的全譜圖。經(jīng)過(guò)FFT 分析后，以振幅作為y 軸，以不平衡質(zhì)量作為x 軸，得到同一頻率下4 種不平衡質(zhì)量的A 相電壓振幅。以A 相電壓頻率為100Hz 為例，未加入不平衡質(zhì)量（不平衡質(zhì)量為0）時(shí)電壓振幅為0.48V；加入不平衡質(zhì)量為42g 時(shí)，電壓振幅為0.53V；加入不平衡質(zhì)量為80g 時(shí)，電壓振幅為0.55V；加入不平衡質(zhì)量為118g 時(shí)，電壓振幅為0.59V。根據(jù)上述數(shù)據(jù)變化規(guī)律可知，在電壓頻率相同情況下，隨著不平衡質(zhì)量的增加，電壓振幅也相應(yīng)變大。在此基礎(chǔ)上，又分別測(cè)得了B 相和C 相電壓在100Hz 下，4 種不平衡質(zhì)量下電壓振幅的變化情況，橫向比較結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電壓信號(hào)振幅隨不平衡質(zhì)量變化的特征曲線(xiàn)

結(jié)合圖3 可以得到兩個(gè)結(jié)論：第一是三相電壓在100Hz頻率下，隨著不平衡質(zhì)量的增加，電壓振幅均呈現(xiàn)出同步變化的趨勢(shì)；第二是在頻率與不平衡質(zhì)量相同的情況下，各相電壓振幅有C>A>B 的規(guī)律。該結(jié)果也表明空載電壓電氣量的頻譜特征也能用于判斷發(fā)電機(jī)組的不平衡故障。

2.4 誤差分析

本文所進(jìn)行的3 次實(shí)驗(yàn)，為消除偶然誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每次實(shí)驗(yàn)均連續(xù)進(jìn)行50 組，剔除明顯存在誤差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，將剩余數(shù)據(jù)求平均值，從而大幅度提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。另外，考慮到數(shù)據(jù)采集過(guò)程中發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于轉(zhuǎn)子不平衡工況，有可能引起其他類(lèi)型故障，或者出現(xiàn)不平衡工況疊加的現(xiàn)象，因此實(shí)驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)只用于故障的定性分析。另外，本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)電機(jī)組是水平放置于地板上，為了防止發(fā)電機(jī)組因?yàn)檫\(yùn)行期間的振動(dòng)導(dǎo)致偏移，放置了橡膠墊來(lái)增加摩擦系數(shù)，但是在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中仍然發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡工況下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組有輕微的左右晃動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)，由此產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差不在考慮范圍之內(nèi)。還有就是振動(dòng)傳感器通電以后，尚未啟動(dòng)電機(jī)就采集到少量信號(hào)。分析認(rèn)為時(shí)電源雜波、諧波導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)中選擇“故障情況下的頻率-通電后的頻率”，可以消除此類(lèi)誤差，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性。

2.5 不同頻率下電氣量頻譜特征對(duì)比

理論研究表明，同步發(fā)電機(jī)在出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡故障后，若平衡環(huán)處所加的不平衡質(zhì)量為定值，則空載電壓的電氣特征是：頻率為二倍頻，大小與電機(jī)參數(shù)有關(guān)。為驗(yàn)證不同頻率下多個(gè)不平衡質(zhì)量的電壓幅值，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：在電機(jī)平衡環(huán)的某處做標(biāo)記，依次放置不同質(zhì)量的不銹鋼片。這里僅記錄不平衡質(zhì)量為40g 與82g 時(shí)的電氣量頻譜特征，如圖4所示。

圖4 不同頻率下電氣量頻譜特征對(duì)比

結(jié)合圖4 可知，在不平衡質(zhì)量為40g 的情況下，如果電機(jī)轉(zhuǎn)頻為0，則A 相電壓幅值相同。隨著頻率的不斷增加，電壓振幅也隨之增加。電機(jī)轉(zhuǎn)頻為30Hz 時(shí)，其特征頻率達(dá)到60Hz 時(shí)電壓振幅出現(xiàn)最大值，為0.32V，之后振幅開(kāi)始下降，在特征頻率到120Hz 時(shí)，電壓振幅為0。電機(jī)在40Hz 和50Hz 轉(zhuǎn)頻下的電壓振幅歲特征頻率變化趨勢(shì)與此保持一致。在不平衡質(zhì)量為82g 的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)頻為0 時(shí)，電壓幅值相同。當(dāng)特征頻率增加時(shí)，電壓振幅增加，與不平衡質(zhì)量為40g 時(shí)有相同變化規(guī)律。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，基于振動(dòng)量和電氣量的電機(jī)空載電壓頻譜特征，都能用于發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷，并且均表現(xiàn)出同一頻率下，隨著不平衡質(zhì)量增加，振動(dòng)量變大的特征。另外，在電壓頻率一定的情況下，隨著特征頻率的增加，電壓振幅有先升高、后降低的趨勢(shì)，并且變化規(guī)律與"特征頻率為二倍頻，幅值與不平衡質(zhì)量成正比"的理論推導(dǎo)一致，說(shuō)明用電氣量診斷發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡機(jī)械故障是可靠有效的。