水輪發電機組機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）

轉子失衡是轉子系統中較為普遍的一類振動故障，傳統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，且不同測量點的幅值、幅值差異很大，致使分析結果可信度低，容易出現誤判，而用電量作為信號源，則能很好地解決上述問題。

1 水輪發電機組轉子振動故障原因分析

在水電站運行全過程中，其所監控的各類信號包含著機組運行狀態的多種信息。如果單元出現故障，它所監控的信號也將發生改變。在此基礎上，對發電機轉子典型振動故障的產生機制進行了研究，并對故障產生的原因進行了分析，得到了相應的故障特征。通過深入研究轉子振動故障的本質，能夠更清晰地把握其發生及發展的整個過程，進而構建出更為合理的故障模型，為后續的理論研究與試驗驗證奠定理論基礎。水輪發電機轉子不平衡是轉子振動故障中最常見的一種，現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，能否實現。

1.1 電磁干擾引起的振動

發電機匝間短路是一種較為普遍的故障類型[1]。這直接關系到電動機的安全運行。定子線圈短時匝間短路，雖然不會對電動機的正常運轉產生很小的影響，但是由于其特性并不明顯，故在生產實踐中往往被忽略。但是，長時間運行后，匝間短路可能導致轉子繞組的一、二點接地。這種情況下，電機的大軸容易燒壞，轉子的振動很大，而且轉子容易被磁化。轉子匝間短路時，氣隙磁場會發生畸變，并聯支路之間會出現高次諧波，嚴重影響發電機的正常運行，這會使繞組發熱增大，進而影響到發電機的無功功率，造成機組振動，增加軸壓，燒壞轉子護環，最終導致筘座和大輪軸產生磁場，造成軸承瓦及大軸燒壞的嚴重事故。因此，準確地判定繞組中是否出現了匝間短路，并采取相應的措施，對解決這一問題具有一定的實際意義[2]。

轉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。在實際應用中，當發現諧振元件出現時，只能通過改變其結構，增大或減小其結構剛度，以避免其三階諧波成分的影響。

1.2 機械原因引起的振動

若發電機轉子的軸心位置與轉軸有偏差，轉子在離心力的影響下會發生受迫振動，稱為不平衡。當轉子中心位置的慣性主軸偏離轉軸時，由于離心力的作用，轉子會發生受迫的振動，也就是質量的不均衡[3]。轉子失衡是發電機最常見的一種振動故障，其原因主要有：其發生率超過80%。近年來，國內外大型發電機制造廠對發電機轉子的加工和裝配精度以及電站設備的維修水平的不斷提高，轉子不均衡故障的數量在逐年下降。現在所有的電機廠都已經能在生產前對發電機轉子進行快速均衡，一些發電廠也開始淘汰舊的動平衡機，改用更先進的移動動平衡機。即使這樣，由于質量失衡而導致的機組振動依然是機組最大的問題。由于轉子不平衡引起的轉子振動的幅值及方向已有明確的規定，在實際應用中可采用動平衡的方法加以消除。除了質量不均衡外，還存在轉子的熱彎曲、轉子內部存在可移動構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，在實際應用中很難用均衡方法加以消除。此外，由于機組密封片磨損過大，轉子繞組出現了熱膨脹，從而導致了轉子的機械振動。

2 水輪發電機轉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

讓電機在50Hz 的情況下無負荷運轉到額定工作狀態[4]。然后，向平衡環施加42g 的失衡質量，對電動機的無負載電壓進行測定，并對它進行快速傅里葉轉換（FFT）分解。加工結束后，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。分析了負荷不對稱對系統無功功率和頻率的影響。研究發現，當轉子頻率為50Hz 時，在不添加不平衡量（零質量）的情況下，垂向幅值為0.02V；當不均衡重量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；當不平衡重量118g 被添加時，垂直幅度是0.10V。由此可以看出，當不對稱質量增大時，電動機在空載時豎向振動量也隨之增大。并對4 種非對稱質量在25Hz、50Hz 情況下的垂向幅度進行了驗證。

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

圖1 垂直信號振幅隨不平衡質量變化的特征曲線

2.2 水平振動量故障診斷有效性分析

機械發生故障時，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，以確保試驗結果的準確性，其測試方法和上述一樣，不再重復。測試結果顯示，不加入不平衡度（不平衡度是0），當電動機的空載轉矩為50Hz 時，其水平幅度為0.03V；當42g 的非均衡質量被添加后，其水平幅度是0.07V；添加80g 非均衡質量后，其橫向幅度為0.11V；當添加118g 的非均衡質量時，其水平幅度為0.14V。從以上數據的變化規律可以看出，在50Hz 特性頻率下，由于不對稱質量的增多，其橫向振動也隨之加劇。在此基礎上，對4 種不同的不平衡質量在25Hz 特征頻段上的水平振幅進行了對比分析，得到了與實測數據一致的結果，結果如圖2 所示[5]。

圖2 水平信號振幅隨不平衡質量變化的特征曲線

由圖2 可知，當沒有附加不平衡量的情況下，當電動機的轉矩為50Hz 的時候，它的橫向幅度比25Hz 時的小。然而，當不平衡量的質量越來越多時，在25Hz 左右的空載情況下，電動機的橫向幅值就會迅速增大，并且在20g 不平衡量的情況下，其轉矩已經超過了50Hz。當不平衡量最大（118 克）時，在50Hz 旋轉頻率下，空載運轉馬達的橫向幅度為0.10V；而頻率為25Hz 的電動機，其橫向幅度只有0.14V。同時還表明，在高轉速時，不對稱質量越大，因此，用側向振動量作為診斷發電機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電機的空載電壓特性試驗，證實了用振動量來診斷發電機的故障是可行的[6]。然后，進行發電機空載電壓和電量測試，以實測電量特性為輔助，檢查設備的機械故障。試驗中，將電動機空載運轉到額定工作狀態，向平衡環中加入0g，42g，80g，118g 的不平衡量，并對其進行全譜分析。經過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 個不平衡質量的A 相振動幅度。例如，在沒有添加不均質（不均質是0）的情況下，A 相的電壓頻率是100Hz，而電壓幅度是0.48V；當添加42g 的不平衡質量時，得到0.53V 的電壓幅度；在80g 的非平衡質量的情況下，電壓幅度為0.55V；當添加118g的不平衡質量時，電壓幅度是0.59V。從這些數據的變化規律可以看出，當電壓和頻率相等時，當不對稱質量越大時，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 種不均衡質量的變化，并將其橫向比較，其結果顯示在圖3 中[7]。

圖3 不均衡質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：首先，100Hz 時，三相電壓幅值隨不對稱品質的增大而呈同步變化；其次，當頻率和不對稱質量相等時，各個相的電壓幅值存在一個規律，即C＞A＞B。同時，還說明了發電機空載電壓和電量的譜特性可以用來判別機組的不對稱故障[8]。

2.4 誤差分析

為了排除隨機誤差，我們選擇了三組的實驗，剔除了有顯著誤差的實驗數據。然后對剩余的數據求平均值，使實驗結果的可信度得到很大的提高。此外，由于機組長時刻在非平衡狀態下工作，很容易引發其它類型的故障，也有可能發生不均衡狀態的疊加，因此，由測試得到的資料，僅能作定性的分析。本試驗將發電機平放在地面上，并在發電機底部加裝橡膠襯墊，以避免機組在工作過程中由于振動而發生偏移，但在實際試驗中，仍發現發電機在非平衡狀態下會出現較小的左右搖擺，從而造成測量結果的不穩定，因此所引起的試驗誤差并未計入試驗結果。

2.5 不同頻率下電氣量頻譜特征對比

理論分析認為，當不平衡質量為固定值時，當發電機發生不對稱故障時，這種電機的無功功率具有二次頻率特性，其大小與電機的參數有關。為檢查在不同頻率處多個非對稱質量引起的電壓幅值，用記號標出平衡環，將不同品質的不銹鋼板依次放置。本文記錄了82g 不均衡質量時的電功率頻譜特征，見圖4。

圖4 82g 不平衡質量下的不同頻率對比

3 結語

試驗證明，利用振動幅值和通氣量的譜特征能夠識別出非對稱的發電機轉子不對稱故障，這兩個參數都隨著非對稱質量的增加而增加。結果表明：當電壓頻率恒定時，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，為利用電氣參數進行不平衡診斷提供了可能。