水電機(jī)組集成監(jiān)測系統(tǒng)中鐵心振動分析

萬 元，李朝暉，薛 松

（華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074）

引言

國內(nèi)外水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，定子鐵心的磁振動是水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生事故和嚴(yán)重?fù)p壞的根源之一[4]。因此，有必要對定子鐵心振動進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)時了解鐵心振動的大小以及信號特征，以便于更合理地處理發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題。

水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動包括轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動[1]，其中極頻振動中頻率為 100Hz振動可能與定子鐵心的固有頻率非常接近，因此是在線監(jiān)測的重點(diǎn)。鐵心振動與機(jī)組定子電流、勵磁電流、定子溫度等機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)度比較大[7]。因此，在分析定子鐵心振動時，必須結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，這樣才能保證監(jiān)測結(jié)果的高可靠性。

本文利用最優(yōu)維護(hù)信息系統(tǒng)（HOMIS）[13,14]提供的水電機(jī)組集成監(jiān)測環(huán)境，研究了定子鐵心振動的分析方法：在有效采集鐵心振動信息、計(jì)算振動指標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，分析鐵心振動特征及狀況，最終實(shí)現(xiàn)鐵心的故障診斷。

1 水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動特征

水輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心振動分為轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動[1]。

1.1 轉(zhuǎn)頻振動

定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外圓之間氣隙不均勻，而在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生不平衡的電磁拉力，是大直徑水輪發(fā)電機(jī)組的主要振源之一[1,3]。當(dāng)定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻時，大軸每轉(zhuǎn)一周，定子和轉(zhuǎn)子之間有一次最小間隙相遇，若正常間隙為δ，最小間隙為α，則氣隙偏差值e=δ?α。在最小間隙處定子、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生的不均衡磁拉力，可近似地用公式（1）表示[1]：

式中：L、D分別表示轉(zhuǎn)子高度和直徑（單位：cm）；B表示磁通密度（單位：Gs）。β為無量綱系數(shù)，與發(fā)電機(jī)類型、磁場分布和繞組結(jié)構(gòu)等有關(guān)，一般β = 0.2～0.5。因此，定子鐵心轉(zhuǎn)頻振動的頻率與水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系可由（2）表示。

式中：fsr為轉(zhuǎn)頻振動的頻率；n為機(jī)組轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)頻振動特征是振動頻率為機(jī)組轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍，隨氣隙的磁通密度B的增大而加劇。

1.2 極頻振動

水輪發(fā)電機(jī)的極頻振動主要由定子分?jǐn)?shù)槽繞組引起[1,5,9,10]。分?jǐn)?shù)槽繞組將導(dǎo)致分?jǐn)?shù)次諧波磁場的存在，引起的鐵心極頻振動，基本上分為四種情況：

（1）分?jǐn)?shù)次諧波磁場與基波磁場聯(lián)合產(chǎn)生的振動；

（2）兩個分?jǐn)?shù)次諧波磁場共同引起的振動；

（3）單個分?jǐn)?shù)次諧波磁場引起的振動；

（4）分?jǐn)?shù)次諧波與高次諧波磁場共同作用產(chǎn)生的振動。

如果定子電流的頻率為50Hz，則可得（1）、（2）、（3）引起的極頻振動為100Hz。第四類振動的頻率為100Hz、200Hz、……。根據(jù)力學(xué)分析可知[1,9,10]，冷態(tài)下鐵心振動的幅值由振動力波的大小、力波的空間節(jié)點(diǎn)次數(shù)、力波的頻率及鐵心的固有頻率共同決定。因此，對于常規(guī)設(shè)計(jì)的定子繞組，由于次諧波磁場幅值和高次諧波磁場幅值的幅值很小，它們單獨(dú)或者聯(lián)合產(chǎn)生的振動對定子威脅不大，最有可能引起鐵心劇烈振動的是基波磁場和那些與基波磁場極對數(shù)相差小、旋轉(zhuǎn)方向相反的次諧波磁場的聯(lián)合作用。從而可得出極頻振動具有以下特征：

? 振動主頻為100Hz；

? 設(shè)f為定子電流頻率，極頻振動頻率fsp滿足（3）；

? 振動強(qiáng)度與磁場幅值密切相關(guān)。

文獻(xiàn)[1]經(jīng)計(jì)算得出，鐵心的固有振動頻率可能出現(xiàn)在100Hz附近，為防止共振，100Hz下的振動幅值是在線監(jiān)測的重點(diǎn)。

2 鐵心振動與機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系

2.1 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與鐵心振動力波的關(guān)系

定子回路的磁動勢F(x,t)可由（4）計(jì)算[4]。

式中：W為每相串聯(lián)匝數(shù)，kwn為n次諧波的繞組系數(shù)(n為正轉(zhuǎn)磁場時取正，否則為負(fù))，kwn計(jì)算可參見文獻(xiàn)[9]、[10]，其取決于電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)；τ1為二級波的極距。I為定子電流（電樞電流）。當(dāng)不計(jì)磁場飽和，且不考慮轉(zhuǎn)子高次諧波磁勢，由水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行矢量圖知[6]，轉(zhuǎn)子基波磁勢f(x,t)可由(5)表示。

式中：N為勵磁繞組匝數(shù)；Kf為常數(shù)，即基波對應(yīng)傅立葉系數(shù)；If為勵磁電流，ψ為發(fā)電機(jī)內(nèi)功角，p為定子基波極對數(shù)。假設(shè)空間氣隙均勻，即氣隙磁導(dǎo)Λ為一常數(shù)，當(dāng)氣隙磁導(dǎo)為μ0時，定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振動力波q(x,t)由（6）計(jì)算。

設(shè) qsr(x,t)表定子和轉(zhuǎn)子磁場共同作用產(chǎn)生的力波；qss(x,t)表定子磁場單獨(dú)產(chǎn)生的力波；qrr(x,t)為轉(zhuǎn)子磁場單獨(dú)產(chǎn)生的力波，則q(x,t)=qsr(x,t)+ qss(x,t)+ qrr(x,t)。結(jié)合（4）、（5）、（6）分析可得（7）。

因此，振動的驅(qū)動力波由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同決定。在不考慮在機(jī)組不同狀況時定子鐵心與定子機(jī)座的耦聯(lián)程度差異，僅從定子受力考慮，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時，I=0，空間氣隙磁場由 If引起，隨著If增大，振動力波將隨之增大。

（2）發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時，由水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行矢量圖[6]得定子電流I、勵磁電流If、有功P要遵從一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系，可得以下幾點(diǎn)：

? If不變時，I的增大能引起振動力波加大；

? I不變時，If的增大能引起振動力波加大；

? 當(dāng)P恒定時，由于I和If的數(shù)值結(jié)構(gòu)不同，振動力波將存在差異；

“懷舊”，一方面是兩岸聽眾的審美特征，而另一方面也反映出當(dāng)代華語流行樂壇存在的問題。如當(dāng)前各個經(jīng)紀(jì)公司在籌劃歌手個人演唱會時，都在打“懷舊”牌，列出該歌手多年來唱過的經(jīng)典曲目以增加演唱會的市場號召力，讓歌迷到現(xiàn)場“見證青春歲月”。[29]這一方面證明了這些流行歌手的影響力，另一個方面也顯示了整個流行樂壇一定程度上的青黃不接。[29]

? 相對于空載，發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，由于定子電流的出現(xiàn)以及勵磁電流的增大，振動力波顯著增大。

（3）發(fā)電機(jī)工況變化瞬間，由于水力及其他動力的沖擊，發(fā)電機(jī)的大軸的振動相對劇烈，定轉(zhuǎn)子氣隙畸變（偏心嚴(yán)重等），導(dǎo)致不平衡拉力加大，定子鐵心的轉(zhuǎn)頻振動將增大[1,9,10]。

2.2 定子溫度對鐵心振動的影響

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，定子鐵心的溫升一般高于定子機(jī)座的溫升。當(dāng)定子鐵心溫度升高時，由于固體的熱脹冷縮特性，定子鐵心受熱膨脹時，與定位筋間的間隙逐漸減少，使定位筋的受力越來越大，從而定子機(jī)座與鐵心的耦聯(lián)程度逐漸變高，當(dāng)溫度升高到一定程度時，最終導(dǎo)致機(jī)組和鐵心聯(lián)合成一個整體振動。因此，在同樣的振動力波作用下，定子溫度將導(dǎo)致鐵心振動的劇烈程度不一致，溫度越高，振動越小。

因此，鐵心振動與機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)存在較為密切的關(guān)系，脫離機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)來分析定子鐵心振動特征，將容易造成鐵心“共振”現(xiàn)象的誤判，無法得出全面、正確的結(jié)論。

3 發(fā)電機(jī)集成監(jiān)測環(huán)境下鐵心振動分析

為實(shí)時了解定子鐵心振動的狀態(tài)特征，分析機(jī)組不同運(yùn)行狀況下定子鐵心振動的特征，實(shí)現(xiàn)定子鐵心“共振”故障的有效診斷，設(shè)計(jì)了水輪發(fā)電機(jī)集成監(jiān)測環(huán)境下的定子鐵心振動分析方法，其框架如圖1所示，具體包括信號獲取、指標(biāo)計(jì)算、集成分析與故障診斷四個方面。

圖1 集成監(jiān)測系統(tǒng)中鐵心振動分析方法

3.1 信號獲取

信號的獲取指數(shù)字測量裝置使用傳感器技術(shù)、硬件信號調(diào)理技術(shù)、采樣技術(shù)等獲得反映定子振動狀態(tài)的原始信息。信號獲取是定子振動集成監(jiān)測與分析的物理基礎(chǔ)，其中傳感器實(shí)現(xiàn)振動信號由非電量到電量的轉(zhuǎn)化，信號采樣則實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的變換。

3.2 指標(biāo)計(jì)算

指標(biāo)計(jì)算利用原始振動數(shù)據(jù)計(jì)算出反映發(fā)電機(jī)定子鐵心振動狀態(tài)、能夠體現(xiàn)振動本質(zhì)特征的信息。因此，指標(biāo)計(jì)算直接關(guān)系到在線監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

現(xiàn)場信號存在干擾，為保證指標(biāo)計(jì)算的真實(shí)性，在振動指標(biāo)計(jì)算前必須抑制干擾。本文使用時域計(jì)算、傅立葉變換、小波變換等手段計(jì)算定子鐵心振動在時域及頻域的指標(biāo)信息，設(shè)機(jī)組的轉(zhuǎn)頻 fr，定子電流頻率為f，鐵心振動的指標(biāo)信息的詳細(xì)內(nèi)容見表1。

表1 鐵心振動的指標(biāo)信息

3.3 集成分析

（1）定機(jī)組狀態(tài)振動趨勢，計(jì)算機(jī)組運(yùn)行狀況相同下（即定子電流、勵磁電流、溫度一定時）鐵心振動的隨時間的發(fā)展趨勢，評價定子鐵心的性能，診斷“共振”現(xiàn)象是否發(fā)生。

（2）變機(jī)組狀態(tài)振動對比，對比機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)不同時的鐵心振動的狀況，總結(jié)鐵心振動隨機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化規(guī)律。

（3）變工況過程振動分析，分析機(jī)組在變工況的瞬態(tài)過程中，鐵心振動的特征。對比不同的變工況瞬態(tài)過程中，鐵心振動特征的差異。

（4）振動指標(biāo)評價，實(shí)時評價振動指標(biāo)信息的數(shù)值，分析定子振動的劇烈程度。

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析，對比分析發(fā)電機(jī)鐵心振動與數(shù)字化后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評價定子振動偏離實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的程度。

3.4 故障診斷

在鐵心振動專家知識庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)集成分析的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)鐵心狀態(tài)評估和故障診斷。專家知識庫的知識由振動理論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、專家經(jīng)驗(yàn)及歷史積累綜合構(gòu)成，同時也在實(shí)時在線監(jiān)測的過程中不斷補(bǔ)充。在結(jié)合數(shù)字化的專家知識[13]及歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文采用三步完成故障診斷：（1）閾值法則判斷定子鐵心的故障是否存在；（2）模糊理論評價故障的嚴(yán)重程度；（3）邏輯推理獲取定子鐵心故障的原因，并給出維護(hù)建議。

4 定子鐵心振動在線監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的機(jī)組集成監(jiān)測環(huán)境下定子鐵心分析方法，本文利用葛洲壩水力發(fā)電廠最優(yōu)維護(hù)信息系統(tǒng)（HOMIS）[13,14]提供的機(jī)組集成監(jiān)測環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)定子鐵心振動的在線監(jiān)測與分析。HOMIS的結(jié)構(gòu)如圖2所示[13,14]。

圖2 HOMIS結(jié)構(gòu)

只在 HOMIS的硬件上添加了鐵心振動位移傳感器和硬件信號處理電路，便可實(shí)現(xiàn)定子鐵心振動的在線監(jiān)測與分析，其中硬件信號處理電路完成硬件濾波、信號調(diào)理等功能，鐵心振動分析的實(shí)現(xiàn)則在 HOMIS上作軟件擴(kuò)展，主要包括三個方面：

1）信號獲取及指標(biāo)計(jì)算在發(fā)電機(jī)監(jiān)測與分析單元（以下簡稱發(fā)電機(jī)單元）上實(shí)現(xiàn)，由于鐵心振動屬于高速變化信號，HOMIS對鐵心振動的采樣率選取為1K/s，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，該采樣率能夠最大分析振動頻率為500Hz的振動信號，滿足鐵心振動在線監(jiān)測的要求。

2）機(jī)組綜合監(jiān)測與診斷服務(wù)器（以下簡稱機(jī)組服務(wù)器）完成了集成分析環(huán)境下的鐵心振動分析。其中機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的獲取通過實(shí)時性能好、可靠性高的CAN網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。集成環(huán)境下鐵心振動分析中的實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)、專家知識等經(jīng)數(shù)字化后直接存儲在機(jī)組服務(wù)器上[13]，其他相關(guān)信息的來源見表2。

表2 鐵心振動分析相關(guān)量的獲取途徑

3）采用分布式存儲策略，指標(biāo)數(shù)據(jù)存儲在機(jī)組服務(wù)器上，振動原始數(shù)據(jù)則存儲在發(fā)電機(jī)單元上。專家可根據(jù)需要通過機(jī)組服務(wù)器向發(fā)電機(jī)單元申請?jiān)紨?shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)單元檢測到機(jī)組工況變化（比如機(jī)組并網(wǎng)同期）時，自動根據(jù)設(shè)定的協(xié)議向機(jī)組服務(wù)器發(fā)送原始振動數(shù)據(jù)。

5 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

在葛洲壩水力發(fā)電廠的 10臺機(jī)組上安裝了HOMIS，并實(shí)現(xiàn)了鐵心振動的在線監(jiān)測與分析，積累了大量的定子鐵心振動數(shù)據(jù)。圖3為某機(jī)組在不同運(yùn)行狀況時對應(yīng)鐵心振動的頻譜。圖4為某機(jī)組在升負(fù)荷過程中，不同頻率對應(yīng)的振動幅值隨有功變化曲線，其中200Hz幅值由于太小，放大10倍后顯示。

圖5為兩臺機(jī)組在110MW～120MW負(fù)荷區(qū)間，鐵心振動峰峰值隨定子溫度的變化曲線。由圖可得出以下4點(diǎn)結(jié)論。

（1）定子鐵心的100Hz下振動非常明顯，且在機(jī)組負(fù)載比機(jī)組空載時更為劇烈；在機(jī)組甩負(fù)荷過程中，機(jī)組振動特征較其他運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜得多。

（2）機(jī)組的運(yùn)行時，存在6倍和29倍轉(zhuǎn)頻的振動分量，可能是由機(jī)組定轉(zhuǎn)子間多處氣隙不均勻引起的。

（3）100Hz及200Hz下的振動幅值隨負(fù)荷的變化規(guī)律基本一致，6倍及29倍轉(zhuǎn)頻對應(yīng)的振動隨負(fù)荷變化趨勢比較小，且不明顯。

（4）在發(fā)電機(jī)有功基本一致的情況下，定子鐵心振動隨定子溫度升高呈減小趨勢。

圖3 發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行狀況下的鐵心振動頻譜

圖4 加負(fù)荷實(shí)驗(yàn)下各頻率分量的振動隨有功變化曲線

圖5 鐵心振動峰峰值隨定子溫度變化曲線

6 結(jié)語

（1）分析了大型水輪發(fā)電機(jī)組定子鐵心轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動的原因及特征，研究了定子鐵心振動與機(jī)組運(yùn)行狀況的關(guān)系。

（2）設(shè)計(jì)了水輪發(fā)電機(jī)組集成監(jiān)測環(huán)境下定子鐵心振動的分析方法，并介紹了該分析方法中各個功能模塊的具體內(nèi)容。

（3）利用葛洲壩水力發(fā)電廠HOMIS為硬件平臺，實(shí)現(xiàn)了定子鐵心振動在線監(jiān)測與分析，并給出了監(jiān)測及分析的結(jié)果，其監(jiān)測結(jié)果與理論分析基本一致。

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