水電廠電氣設(shè)備異常振動檢測方法設(shè)計

任 波

（金安橋水電站有限公司，云南麗江 674100）

0 引言

許多電氣設(shè)備的損壞是由異常振動引起的，因此每種類型的設(shè)備都需要確定其振動的方法。振動會導(dǎo)致基本的機(jī)組運行信息和機(jī)組部件的特性發(fā)生改變[1]。異常振動檢測可用于確定設(shè)備的異常，提前了解設(shè)備是否損壞，防止影響設(shè)備的正常操作并確保其正常運行，大大減少因工廠設(shè)施損壞而造成的財產(chǎn)損失和工人活動風(fēng)險[2]。然而，許多設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在運行過程中經(jīng)常以極快的速度運轉(zhuǎn)，很容易引起復(fù)雜的內(nèi)部振動發(fā)生。但由于檢測難度大，傳統(tǒng)的異常振動檢測方法的應(yīng)用水平較低，對于一些不常見的振動檢測不能夠提前辨別出來。本文建立了一種確定水電站電氣設(shè)備異常振動的新方法[3]，可以檢測到非常復(fù)雜的設(shè)備振動。

1 水電廠電氣設(shè)備異常振動檢測方法設(shè)計

1.1 振動信號分解

水電廠電氣設(shè)備發(fā)生異常振動時，要對其振動進(jìn)行采集，采集的振動方式以信號的形式存儲在采集器中。采集過程中信號種類呈現(xiàn)多種的樣式，因此需要對采集到的設(shè)備異常振動信號實施分解，以此得到設(shè)備異常振動信號。在單分量設(shè)備異常振動信號研究的情況下，信號排布比較復(fù)雜，實用的分解模態(tài)信號函數(shù)必須滿足以下要求。首先需要滿足插值擬合的函數(shù)條件，其次設(shè)備異常振動信號必須標(biāo)記出極大、極小值點，描繪出設(shè)備異常振動信號的上、下包絡(luò)線。

在采集設(shè)備異常振動信號時候，信號的頂部包絡(luò)線和底部包絡(luò)線都是對稱的，與同條件下采集的其他信號相對應(yīng)的單分量是一致的[3]。因此取設(shè)備異常振動信號的最大值和最小值，計算振動信號上下區(qū)域線，得到振動信號分量m1：

其中，f（t）表示為采集的原始信號，c1表示第一階信號分量，則：

其中，R1表示為原始信號的逼近分量。

重復(fù)以上過程，能夠得到多個信號分量β（t）：

上述分布過程的成分，均反映初始采集信號的特征尺度。將原始信號變換用于處理分量，分析信號的極坐標(biāo)，收集數(shù)據(jù)，并用信號變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以獲得信號的最佳逼近值[4]。

根據(jù)水電廠電氣設(shè)備部件即時振動下的應(yīng)急頻率定義，可以表示為：

若x（t）表示該水電廠電氣設(shè)備震蕩頻率的縮放參數(shù)，用ψ 表示波函數(shù)，那么來自點x（t）的波的變換W則被認(rèn)為是水電廠電氣設(shè)備振動信號對照參數(shù)，可以表達(dá)為：

其中b 是位置的參數(shù)，t 是水電廠電氣設(shè)備圓振動的顯示比例參數(shù)。具體流程如下：

信號振動因子a1/2的主要作用就是在式（6）確保轉(zhuǎn)換過程中的信號源。波長ψ 函數(shù)的選擇并不具體，但選擇標(biāo)準(zhǔn)必須滿足以下特征：①必須支撐其定義的區(qū)域，以確保水電廠電氣設(shè)備信號特性，并獲得臨時振動信號局部化特性；②振動信號波長必須符合容許條件，即：

其中，ψ（ω）=∫ψ（t）ω（t）dt 存在的前提是小波函數(shù)∫ψ（t）波形的轉(zhuǎn)換是振蕩的。db是振動參數(shù)，da為水電廠電氣設(shè)備有限振動極限函數(shù)。在式（8）中，W 是具有不同水電廠電氣設(shè)備頻率的函數(shù)。最終分解可以得到：

1.2 異常振動模式識別

在上述分解設(shè)備異常振動信號中，可以利用振動信號的特征將電氣設(shè)備的異常振動模塊劃分為多個異常振動類型，Z1表示力偶不平衡引起的振動、Z2表示機(jī)械松動引起的振動、Z3表示轉(zhuǎn)子摩擦引起的振動、Z4表示共振引起的振動（表1）。

表1 振動模式劃分

表1 中的K 是水電廠電氣設(shè)備正常的偏振參數(shù)，R 對應(yīng)的偏振故障點的元件名稱。水電廠電氣設(shè)備在正常工作狀態(tài)下的振動參數(shù)，應(yīng)低于異常振動類型對應(yīng)的參考值。為了使異常振動符合異常振動部件，對電氣設(shè)備和設(shè)備的異常振動進(jìn)行了重新分類。根據(jù)電氣設(shè)備中異常振動類型的分布和異常振動類型所在的位置，在此點附近測量異常振動分量的位置和異常振動角度。基于所獲得的角度值，選擇幾個異常振動信號作為部件的特性。通過特征提取有效信號表征電氣設(shè)備異常振動的特征，對已提取的特征量進(jìn)行分類識別，進(jìn)一步進(jìn)行振動類型，以實現(xiàn)異常振動模式識別。

1.3 發(fā)生異常振動位置的確定

將識別出的電氣設(shè)備振動類型根據(jù)正交小波基構(gòu)造法進(jìn)行處理，從而確定設(shè)備產(chǎn)生異常振動的具體位置。將g（x）作為函數(shù)的可比波長函數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)二階導(dǎo)數(shù)狀態(tài)下，g（x）是同一函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)。轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，G 表示具有積分核的積分變換，ψ（1）（x）、ψ（2）（x）表示兩種小波能量。對式（9）進(jìn)行積分處理可得：

此時，式（10）符合式（9）的滿足條件，因此根據(jù)該方程可以識別振動信號（見式（11））。

在水電廠電氣設(shè)備正常運作過程中，每個振動信號的突變類型是不同的。根據(jù)導(dǎo)數(shù)實際情況選擇相應(yīng)的振動類型變換函數(shù)，以完成計算。

振動信號函數(shù)f（x）在時域內(nèi)表達(dá)式為：

根據(jù)式（11），將異常振動信號轉(zhuǎn)換為頻域形式的表達(dá)式為：

其中，f（s）表示振動信號頻閾函數(shù)。

其中，E 表示水電廠電氣設(shè)備各振動信號形成的特征集合，其在的各個參數(shù)表示各種電氣設(shè)備非正常振動信號標(biāo)記位置。在此基礎(chǔ)上，通過特征集合E 構(gòu)建訓(xùn)練樣本和測試樣本進(jìn)行對照，使用訓(xùn)練樣本識別測試樣本即可檢測出疊加振動具體位置，實現(xiàn)了水電廠電氣設(shè)備的異常振動檢測。

2 實驗論證

為了驗證水電廠電氣設(shè)備異常振動檢測方法的有效性和可行性，設(shè)計如下對比實驗：實驗將傳統(tǒng)的基于隨機(jī)森林的設(shè)備異常振動檢測方法作為對照組a，將基于多源傳感的設(shè)備異常振動檢測方法作為對照組b，設(shè)置本文方法為實驗組，在實驗中進(jìn)行測試，驗證本文方法的檢測結(jié)果。

2.1 實驗設(shè)計

為確保實驗結(jié)果的客觀性，共設(shè)計了3 次不同類型的異常振動，在其余環(huán)境相同的情況下，分析3 種方法的檢測結(jié)果，并對比分析3 種方法的響應(yīng)時效性。

2.2 對比實驗

實驗組與對照組的檢測結(jié)果如圖1 所示。對比分析不同方法對異常振動信號的響應(yīng)時效性，結(jié)果如表2 所示。

圖1 3 種方法的異常振動檢測結(jié)果

表2 實驗結(jié)果對比

分析圖1 的結(jié)果可以看出，實驗組方法分別在約0.5 s、1.5 s、2.5 s 出檢測出了3 次異常振動，與實驗環(huán)境相符。而對照組a 和對照組b 方法只檢測出了2次異常振動。

由表2 可以看出，對照組a 與對照組b 對異常振動信號的響應(yīng)時效性偏低，而實驗組方法異常振動信號的響應(yīng)時效性偏低更好，響應(yīng)時間始終未超過200 ms，證實了實驗組方法的可行性。

3 結(jié)束語

水電站建設(shè)為中國水電站的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，為人們提供了基本電力，同時減少了資源短缺。在技術(shù)深度發(fā)展的基礎(chǔ)上，水電站正逐步向智能化階段轉(zhuǎn)變。如果電氣設(shè)備發(fā)生異常振動，將對水電站的運行產(chǎn)生重大影響。本文提出了水電站電氣設(shè)備異常振動的檢測方法，通過設(shè)計對比實驗將其與傳統(tǒng)的異常振動檢測方法進(jìn)行比較，驗證了該方法的應(yīng)用，可以有效、快速地檢測異常振動，進(jìn)而減少由異常振動引起的電氣設(shè)備損壞。