试论水轮发电机组振动监测与故障诊断系统设计与应用

陈毅锋（福建棉花滩水电开发有限公司）

试论水轮发电机组振动监测与故障诊断系统设计与应用

陈毅锋
（福建棉花滩水电开发有限公司）

大型水轮发电机在电网中的作用越来越大，检修工作也越来越重要。在发电机组检修的过程中必须根据实际故障状况制定对策，针对发电机组的常见振动故障，必须建立科学的故障监测和诊断系统。本文结合水轮发电机组的振动原因，提出了振动监测和故障诊断系统的设计方法。

水轮发电机组；振动监测；故障诊断；系统设计

在电力产业不断发展的过程中，水力资源不断开发的同时，大中型水轮发电机组的应用越来越广泛，其在电力系统中所占的比例也越来越大。大中型水轮发电机组的调峰、调频、调相等作用在电网安全运行中发挥着重要的作用。因此水轮发电机组的故障诊断问题也受到广泛的重视，一旦机组故障停机，将带来较大的经济损失并影响电网的安全运行，故障的监测、诊断和消除对安全运行具有重要的作用。保证水电机组的正常稳定，需要监测运行状态，发现故障预兆，做好事前维修工作，防患于未然，本文针对水轮发电机组的振动故障展开了探讨。

1　水轮发电机组的振动机理和振动原因

1.1水轮发电机组的振动机理

在电力系统中，水轮发电机组的振动动力来自水轮机本身，水的能量成为导致机组这振动的重要原因，水的能量可以激发振动，也可以维持振动。

结合实际振动问题的发生状况，有些振动取决于水轮机本身的水力性能，也有少部分故障来源于偶然因素[1]。水轮机将机械能转换为电能的同时，可能由于设计、安装、运行工况等方面的因素导致发电机内部出现电磁振动。

从水轮发电机组的结构上分析，它主要包括转动部分、固定部分和支持部分，如果其中任何一个部分存在机械故障都可能导致机组振动，这些振动直接与设计和安装等因素有关。通常情况下，机组的振动部件主要有上机架、下机架、顶盖和转动部分，有时也会涉及到定子铁芯。

水轮发电机组运行的过程中，受力和旋转等因素导致的设备振动是难免的，通常用振动参量反映出水轮发电机组的运行状态，必须考虑到异常振动对设备带来的危害，因此对水电机组振动原因的分析十分重要。

1.2水轮发电机组的振动原因

1.2.1尾水管内低频涡带

针对混流式和轴流定浆式水轮机而言，低频涡带是导致振动的主要原因。产生涡带的主要原因是水轮机的转轮位置存在一定的水流分速度。针对混流式水轮机而言，在运行的过程中转轮出口位置会产生强制漩涡，漩涡内部的压力较小，强制漩涡容易出现空腔汽蚀现象，中心部分的空腔会出现偏心运动，产生的压力也会不断变化，进而引发振动。1.2.2尾水管接近转频的脉动

尾水管中的一部分脉动压力，包括一部分中频和高频压力。其中中频压力脉动频率与发电机组的转动频率接近，容易导致机组振动，也可能会带动压力管道的振动。接近转频的压力脉动普遍存在于水叶的任何开度下，在转速一定的情况下，频率也会基本固定。在低频涡带出现的范围内，在低频的影响下，接近转频的脉动将出现不动程度的波动。

1.2.3机组的电磁振动

在水轮发电机组的电磁振动中，可以将其分为转频振动和极频振动。其中转频振动的频率是转频的整数倍，主要原因是机械部分存在缺陷，例如发电机组的转子不规则，这种振动故障在安装过程中已经存在。极频振动主要是由两种不同的磁场相互作用而形成的，例如定子内腔和转子外圆之间的空隙不均匀，在运行过程在红钉子和转子间形成不均匀的磁拉力，成为水轮发电机组振动的主要原因。产生极频振动的原因有定子不圆、负序电流引起反转磁势、分瓣定子合缝间隙大等。

2　振动监测和故障诊断系统设计

水电机组的单机容量不断增大，机组的维护和检修工作不断加重，机组系统的故障将影响机组的正常运行，关系到整个电力系统的安全和稳定，因此必须对水轮发电机组的状态参量进行持续就监测，技术判断机组的运行状态，对机组故障做出分析和诊断，为故障消除提供可靠的依据。

2.1系统结构设计

在振动监测系统中，将其分为重要的机械测量、数据采集、监测分析和传输系统几个部分。从功能上分析，可以将其分为数据采集、状态监测和故障诊断三个层次。

在状态监测部分中，需要结合前端数据的基础，及时判断出机组的运行状态，为中央单位提供机组的运行报告。具体而言，状态监测需要实现简单的分析工作、快速傅里叶分析、启停状态和正常运行状态的分析、现实不同监视图像、状态报告打印等。分析诊断部分需要将所有的状态信息进行整合，将涉及到的信号分析和函数分析等综合起来，针对故障发生的原因、部位等给出相应的检修策略，为机组的故障管理提供指导[2]。

状态监测系统包括上位机和下位机，其中上位机主要包含中央信息处理器、隔离装置、WEB服务器和工程师站等，下位机系统主要包含多种不同的屏柜。在该系统在红，可以增加相应的数据镜像服务器，利用隔离装置保证内网和外网隔离，将隔离装置、中央信息处理器和数据镜像服务器等构成一个整体。系统运行的过程中，可以利用多种不同的传感器将采集到的物理信息号转换为电信号，将电信号及时传送到状态监测系统中，实现多种信息的收集和处理，最终得出机组运行状态的可靠信息，例如图表、特征参数等，再将这些信息统一存储在服务器中。

2.2硬件设计

2.2.1网络设计

系统中的局域网采用双冗余的高速以太网，为了保证数据的可靠传输，可以利用数据采集单元和预处理单元实现自动监测，如果一套网络系统传输失败们可以自动选择林一套网络系统进行数据传输。

2.2.2下位机设计

不同机组的信号采集和预处理都需要应用一个标准机柜实现，将标准机柜安装在机组附近，它主要包括显示器、信号采集和预处理等单元，状态监测系统中包含集中组屏，机柜内有传感器的直流电源、显示器、共享器、UPS电源和信号采集预处理单元[3]。

机柜内的电源可以保证不同传感器的正常工作，应用接线端子连接传感器信号和输出信号，将采集的信号技术传递到预处理单元中。系统中的信号采集和预处理单元完成信号电气结构的处理，实现信息的同步采样。对采样后的数据进行分析后，提取出机组工作的特征参数，整合机组的工作状态，实现报警和记录等功能，利用网络将数据传递到状态服务器中，进行下一步的状态监测和数据分析。信号采集和监测系统为工程师提供可靠的数据，完成信号的调试、参数设定、系统自检等功能。机柜内的设备连接如图1所示。

图1　机柜内设备连接示意图

总而言之，预处理单元接收传感器采集的信号，将采集的信号及时传递到数据服务器中，预处理单元发挥承上启下的作用，将信号采集系统和预处理单元整合后就可以接入状态监测网络中[4]。

针对振动、摆动和压力脉动信号，可以借助信号采集和预处理单元为系统配置专用的设备，对多种振动、压力脉动等信号信号采集和预处理。内部应用PC平台，将信号隔离系统、开关量输入和同步采样系统等整合起来。针对振动、摆动和压力脉动等信号采集和预处理单元而言，它也发挥出承上启下的作用，接收传感器传来的信息，将信息传递给数据服务器，通过计算整理后得出需要的机组运行状态信息，将多种信息及时记录在存储器中。

2.3软件设计

在系统总体结构分析的基础上，概括出水电厂局域网内部的数据流图，见图2。

机组的状态信号包括振动位移、速度和压力脉动等，将这些信号以模拟电流和电压的形式传递到信号采集和预处理系统中，预处理单元将这些信息技术转换为计算机可以识别的数字信号，预处理单元提取出的时域数据派生出多种特征数据，将多种数据提供给状态数据服务器，工程师站可以直接与状态数据服务器进行连接，状态数据服务器也是整个数据流的核心[5]。

该系统的故障诊断部分包括报警系统、故障参数量化分析系统等。报警系统可以获取在线状态信息，将故障内容反映出来，触发自动诊断系统。故障参数量化分析系统可以直接反映出对应机组的故障。在系统设计过程中，需要结合常规分析算法，整合不同的过程分析方法，明确水轮发电机组的故障特点，在分析不同故障的过程中，选择对应的分析工具，并生成相应的状态报告。

图2　局域网内部数据流

3　结束语

发电机组的故障监测和诊断是保证电力系统正常运行的重要方法，本文结合水轮发电机组的振动机理和振动原因，提出了故障监测和诊断系统的设计，该系统可以完成故障信号的及时采集，将信号传输到数据处理服务器中，具有高效、简单的特点，可以为相关系统设计提供研究依据。

[1]张晓莉.基于WSNs的水轮发电机组振动监测系统设计[J].传感器与微系统，2012，31（1）：13.

[2]代红.水轮发电机组振动状态监测与故障诊断系统研究与应用[D].三峡大学，2012，22（2）：25.

[3]吴长利，王辉斌.水轮发电机组振动在线监测系统设计选型及维护[J].湖南电力，2011，21（4）：151.

[4]刘玉刚.水轮发电机组振动监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安理工大学，2013，25（5）：210.

[5]孔祥彬.水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安理工大学，2010，12（1）：26.

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