水轮发电机组智能化振动保护策略研究

栾春林，乔 木，周芟杉

（国网新源白山发电厂，吉林 桦甸 130021）

0 前言

随着我国大型水轮发电机组的不断增多，机组振动问题日益突出，严重影响了水电机组的安全运行及电网的稳定运行。目前，水轮发电机组在线监测和故障诊断技术获得了广泛应用，并且取得了很大的成功，但在实现“智能化振动保护”的领域还留有空白。随着对机组振动机理和振动问题认识的不断深入，实现水轮发电机组“智能化振动保护”功能成为可能，本文介绍我们在这一领域取得的初步成果。

1 水轮发电机组运行特点

1.1 水轮机运行特点

水轮机是一种将水能转换成旋转机械能的叶片式水力机械，工作介质是水，在转轮叶片上作用着很大的流体动力载荷，叶片根部承受着很大的弯曲应力。由于水比气体的密度大很多且压缩性很小，所以当水轮机处于不稳定工作状态时，工作介质流动速度的改变能引起很大的压力变化，形成强烈的压力脉动，运行中还会伴随着高速水流所形成的特有的气蚀破坏、泥沙磨损等，对水轮机通流部件构成严重威胁。此外，水轮机在不同出力、不同水头时具备不同的效率特性和稳定性；当负荷变动时，要求在很短的时间内准确、安全地改变水轮机的运行工况等。

水轮机运行时由工作介质特性引起的特殊运行问题包括：水轮机的汽蚀、水轮机泥沙磨损、水轮机过渡过程、水轮机带负荷（考虑不同出力、不同水头时机组的运行情况）运行等，由于以上原因，水轮机运行时振动机理复杂，设置振动保护时面临许多困难。

1.2 发电机运行特点

在电力系统中，同步发电机是电力系统中最贵重的电气设备，需要长期连续运转，既要承受机身的振动，又要承受电流、电压的冲击。运行中发电机定子绕组和转子励磁回路都有可能产生各种故障，一般来说可能产生的故障有以下几种：（1）定子绕组：相间短路，匝间短路，单相接地；（2）转子绕组：一点或两点接地；（3）转子励磁电流消失；（4）由于突然甩负荷而引起的过电压；（5）过负荷；（6）定子过电流。

针对上述故障，发电机通常会设置以下继电保护装置：（1）过电流保护，用以防御外部短路所引起的过电流，并作为内部故障的后备保护；（2）过负荷保护，用以防御过负荷引起的过电流；（3）纵差动保护，用以防御定子绕组相间短路；（4）横差动保护，用以防御定子绕组的一相匝间短路；（5）单相接地保护，用以防御定子绕组单相接地；（6）励磁回路接地保护，用以防御转子一点接地故障；（7）过电压保护，用以防御突然甩负荷引起的定子绕组过电压。但继电保护系统的主要作用是通过将故障元件从电力系统中切除来提高运行的可靠性。

2 水轮发电机组智能化振动保护策略研究

从水轮发电机组的运行特点可以看到，机组振动机理非常复杂，继电保护手段难以解决机组振动故障问题。水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动不同，流体-机械-电磁三者组成一个耦合的整体，振动体的一部分或全部位于流体中，在振动过程中，流体与振动体以及电磁场相互作用，振动具有复杂性、不规则性和渐变性。所谓智能化振动保护策略，主要强调两点，一是及时保护，二是准确诊断；要实现这两大功能，主要从以下三个方面开展研究。

2.1 定值保护策略

2.1.1 振动限值的讨论

旋转机械设备振动的国家标准和国际标准是同等转化的，目前旋转机械振动标准有两大系列标准：GB/T 11348.1～6(ISO7919)系列标准，对设备转轴作相对振动测量和评价；GB/T6075.1～6(ISO10816)系列标准，对轴承座作绝对振动测量和评价。规定了振动测点和测量方向，建立了以三个边界值为框架的四级振动量级评价体系，如图1所示。

图1 振动量级评价体系

区域A：机器状态优，新交付机器的振动值落在该区域；

区域B：机器状态良，振动值在该区域的机器可以长期运行；

区域C：机器状态差，机器不宜作连续运行，应采取措施修理；

区域D：机器状态劣，该区域的振动，足以导致机器损坏。设置了两级限值评价标准：Ⅰ级报警限值，振动值≥B/C区边界值25%，Ⅱ级停机限值，振动值≥C/D区边界值25%，如图2所示。

图2 两级限值评价标准

每一台水轮发电机组，从设计、新机安装、运行、维护检修等多个环节中，都可能产生导致机组振动状况发生变化的因素。因此，要制定统一的振动标准是很困难的，也是不现实的，因此要求我们从实际出发，制定符合每台机组振动状况的评价标准体系，这要从两个方面入手，一是对机组的结构、运行特性、安装情况、检修情况、故障记录等有较详细的了解；二是在工作中不断积累经验数据。

基于历史积累的经验数据，在制定某台机组的振动评价标准时，可与已有的经典标准进行比较。经典标准是从大量的实践案例中提炼出来的，有较高的可信性，具有一定的参考价值。当然，在使用中不能生搬硬套，要在应用中比较，在比较中理解，在理解中升华，因此熟读、比较各种相关的经典标准是一项基础性的工作。其次，是与同类型、同容量的水轮发电机组做横向比较，从中获取经验数据，为科学合理的制定振动标准提供依据。三是与机组过去的历史数据作纵向比较，了解机组自身的振动幅值变化情况，评估设置振动限值的技术方案。

2.1.2 保护策略的讨论

选择哪些测点、选择什么样的振动值、如何选择振动频率、选择哪些工况，这是振动保护要解决的首要问题。

（1）测点选择

水轮发电机组振动监测点有很多，选择哪些监测点参与振动保护？应按照最重要，最灵敏，最薄弱的原则选定。通常，推力轴承所在部位的承重机架，承受整个机组转动部分的重量，它的振动举足轻重，因此要选择承重机架轴向振动测点作为振动保护测点之一。大轴摆度对作用在大轴上的综合作用力比较敏感，一旦综合作用力发生变化，其摆度值就会发生改变，没有时间滞后性；顶盖是水轮机的过流部件之一，顶盖振动对流体压力波动能够敏感而实时地做出反应，顶盖垂直振动和水平振动的变化最能反映出水轮机水力参数变化造成的影响，是稳态工况和过渡工况振动监测不可或缺的重要测点。发电机定子铁心是发电机比较薄弱的地方，需要重点监测。

表1 振动保护监测点

（2）振动值选择[1]

表示振动的值有三个：振动位移、振动速度和振动加速度。对水轮发电机组只能选择振动位移作参数，这是因为，第一，振动位移为水电行业的人们所熟悉；第二，振动位移和转子轴线的静位移、转子轴线的线性偏差（不直、不垂直、不同心等）具有相同的单位，便于统一考虑，而且动态测量时机组振动的允许值一般也不取决于振动能量，而是受制于允许的位移；第三，水轮发电机组的振动频率较低，测量值用位移来表征比较方便。

（3）振动频率选择

水轮发电机组是流体-机械-电磁相互耦合的弹性体，转速频率的振动不总是最重要的，在选择振动保护频率时，要根据机组的实际振动情况来定。水轮发电机组的振动频率非常丰富，围绕水力方面、电气方面和机械方面的原因所引起的振动频率各不相同，弄清机组的主要振因，才能科学地选择振动频率。水轮发电机组常见的振动频率见表2。在选择振动频率之前，应分析各个振动测点的振动频率，确定引起振动的主要原因，选择主要振因作为保护对象。同一台机组，不同测点的振因可能不同、相同测点不同工况时的振因也可能不同；大修之后，机组的振因也可能发生变化；因此，在选择振动频率时，要分别对待。选择振动频率可能的几种方案，见表3。

表2 水轮发电机组常见振动频率

（4）工况选择

水轮机运行工况很多，运行工况的特点是“大波动+小波动+稳态运行工况”，在不同的运行工况，机组的振动状态差别非常大。由于水流惯性和流动性的影响，机组处于大波动和小波动过渡过程时，振动机理非常复杂，要实现振动保护在理论上和实践中都还缺乏切实可行的途径。1972年美国的路德（F.O.Ruud）提出了一个用于评价过渡过程的振动标准，提出了“暴露率”的概念，其定义为：机组每年在过渡过程下运行时间之和与总时间之比。[2]但是“暴露率”只能定性地评估过渡过程，很难从“定量”的视角参与到振动保护的实际应用之中。所以，目前在工程实践中，暂时不考虑选择过渡过程进行振动保护，仅选择稳态运行工况。

2.2 趋势报警方法

水力发电行业内早就提出了划分水轮机运行区域的要求，但是水轮机运行区域划分的理论和工程应用研究还比较少。[3]水轮机运行区域划分事关水电站安全经济运行，也是机组设置振动保护的基础条件。以混流式水轮机运行区域划分图为例，如图3所示，水轮机运行区域分为稳定运行区，过渡运行区和禁止运行区。在稳定运行区，机组运行效率高，振动小，安全稳定；在过渡运行区，水力脉动大，机组有较强的振动，不适宜长期运行；禁止运行区，水力脉动很大，机组振动很大，不适宜运行。

表3 选择振动频率的可能方案

图3 混流式水轮机运行区域划分图

趋势报警选定的工况是稳定运行区域，是以机组出力、水头为边界条件进行网格化，在同一网格内进行振动趋势辨识和报警，不属于同一网格的振动值不进行比较。从水轮发电机组的运行特点可以看到，水轮机和发电机运行情况非常复杂，运行时外部因素的改变对机组振动影响非常大，尤其是水力参数的影响。同一网格中的振动值，具有相同的外部因素（即相同的运行工况），因此如果振动值（幅值或频率）发生变化，则必然是机组内部情况发生了变化。趋势报警的时间可以根据机组的实际需要确定，可以选择日趋势报警、周趋势报警或月趋势报警，也可以选择特定的时间。

2.3 故障报警

动力机械振动监测系统中，通常所说的故障报警是指振动幅值超过了振动限值时发出报警信号。这种振动保护策略，在许多大型旋转设备的应用中获得了良好的效果，得到了广大用户的认可。水轮发电机组的振动保护，特点不同，完全依赖振动监测点（一个或多个振动监测点的关联组合）的振动值超出振动限值而发出故障报警，在实践中存在许多不足，在故障报警的设计中需要调整思路和策略。

水轮发电机组是流体-机械-电磁三部分构成的弹性体，流体和电磁对机组的作用在机组投运后，其规律通常是不会改变的，只有当机组的机械结构发生某种变化时，才会导致流体和电磁对机组的作用发生变化，进而又对机械结构发生进一步的影响。所以，水轮发电机组的故障保护，不仅仅是振动超标故障保护，还应该把关注点放到机械结构的变化上。由于机械结构发生变化产生的常见故障，见表4。

表4 结构变化产生的常见故障

综上所述，故障报警实施路径有两个，一个是振动、摆度值超标报警，另一个是机械结构变化报警。机械结构变化报警，其本质是故障诊断，需要有专门的量化计算和状态分析手段，通过计算振动、摆度值，判别机械结构的变化情况。机组故障报警策略，见表5。

表5 故障报警策略

3 结语

本文对水轮发电机组智能化振动保护策略进行了初步讨论，总结如下：

（1）确定振动限值时，要以已有的国家标准或国际标准为依据，结合机组历史的振动数据做纵向比较，与同类型机组作横向比较，综合考虑确定。

（2）测点选择尽可能少，采取“最重要，最薄弱，最灵敏”的原则确定测点，不同机组，测点数及测点位置可能不同。

（3）振动值选择位移值较合理，符合机组振动特性。

（4）在选择振动频率时，要选择主要的、关键性的振动频率。

（5）机组运行工况很多，由工况不同而导致的振动情况复杂，在选择振动保护运行工况时，应不考虑过渡过程工况，只考虑稳态运行工况，这样既可以消除不确定因素的影响，又不妨碍掌握机组的稳定性，并能采取积极的振动保护措施。

（6）采取多维边界的网格化条件，可以过滤掉不同的激振因素，保留下来相同的激振因素，实施科学合理的趋势报警。

（7）故障报警同时采用两个途径，一个是振动、摆度值超标报警，另一个是机械结构变化报警。

（8）“智能化振动保护”是在掌握振动机理的前提下，实现“及时保护和故障诊断”的工程化保护策略，具有较强的工程应用价值。

[1]李启章.关于水轮发电机组振动标准的探讨[J].水力发电学报,1993,(1):90.

[2]Ruud,F.O.,Proc.Intcrn.JSME Symp.Fluid MachineryandFluids,2nd[C].Tokyo,1972.

[3]王正伟,秦亮,等.水轮机运行区划分研究[J].水力发电学报,2009(4):144.