引起风力发电机组振动故障的原因及解决方法

崔玉彬

摘要：文章基于对风电机组运行安全以及振动分析，总结其运行中的常见故障以及相应的振动诊断方法，提出了一种在线振动状态监测系统，以供参考。

关键词：风力发电机组;振动故障;原因;解决

1、引言

目前随着我国经济社会的飞速发展，人们日常生活以及工农业生产中对电能的需求量与日俱增，与此同时，全球生态环境逐渐恶化，我国也因此提出了发展低碳经济的战略要求。风能作为一种清洁型能源，在发电行业中广泛应用，近年来风电机组的装机容量也有逐步快速增长的发展趋势。但是此类风力发电机组运行中出现概率较高的故障就是振动故障，不仅会引发安全事故，而且还会耽误正常生产，影响机组的发电效率等。为此就需要研究引发风电机组振动故障的原因并寻求相应的预防和解决方法。

2、风力发电机组的运行安全分析

风力发电机组在运行中采取主动对风的方式，也就是始终保证风机叶轮处于迎风状态，将风能最大化转换为机械能来驱动发电机运转发电。而由于风机叶片的直径较大，且处于环境恶劣的野外，在长时间的运行过程中，容易由于不可预见的自然因素以及其他外力等对机组造成影响或者破坏，进而会影响其运行安全。加之目前的风电机组采取全自动的运行方式，通过自动化系统的应用实现自我控制，结合状态检测系统来实现自动运行和无人值守的管理模式。为了实现上述目的，在其机组控制系统中采用的是基于PLC以及传感器、执行机构、控制器等组成的控制系统。其主要原理就是通过传感器来收集机组运行参数信号，在控制器监测到系统运行参数或者某项指标发生异常时则向执行机构发出相应的调整命令。总结其中容易出现的异常，主要以振动故障为主，且直接影响机组的运行安全，这也是本文讨论的重点。

3、风力发电机组振动分析

在此机组中的机舱内部安装有振动传感器，可以监测超过允许幅值的最大振动信号，并将此信号发动给机组的主控制器并发出振动异常报警，或者根据情况决定是否要停机。这就是应用机组自我保护的主要方式，可以及时提醒工作人员来处理或者停机避免故障进一步扩大。但是这也会影响机组的正常运行而造成经济损失。对机组运行中的故障进行总结可知，由于振动问题而引发的故障占到故障综述的2/3左右，如果风速达到10～14m/s，由于振动原因而造成的机组停机概率会达到84.6%以上，而在风速处于其他范围之内时的振动故障概率则较低。为此，此时段则成为风机发电的黄金区域。要重点分析此区域中的振动故障原因并加以控制，以大幅度提升风电机组发电效率，提升其发电经济效益。

4、风力发电机组的振动故障类型

首先是塔筒和机舱振动故障。此部位的振动主要由自然风引起，且表现为低频振动。其中由于风轮叶片受到扭矩和推力等因素而引起水平方向上的振动故障，或者是受到不平衡力以及塔影效应而引发振动。尽管在设计阶段会特意避开叶片的激振频率，但是由于自然风在不断改变频率，仍然可能会发生与塔筒和机舱的共振现象。针对此问题则需要应用变桨系统对速度、曲线进行调整并增加系统阻力，实现塔筒振动幅度的降低。

其次是轴承振动故障。作为机组传动系统中最为精密的轴承类型，其一旦出现振动故障中通常会出现以下振动频率：一是在故障初期的随机超声频率，大概在5000～60000Hz的范围之内。二是轴承零部件的自振频率，此范围为500～2000Hz，不会受到转速的影响。三是轴承出现故障时会表现出外环故障、内环故障、滚珠体故障以及保持架故障等特征频率，此频率不会受到转速影响，而且最早会出现内环故障，也不会因为基频而引发保持架故障，但是在出现滚珠体故障时通常会同时出现保持架故障，外环故障的幅值在内环故障的幅值以上。四是内环或者外环故障频率以及和频、差频等属于轴承滚珠体的通过频率。

最后是齿轮箱振动故障。此类故障主要表现出不同故障的齿轮振动频率、振动特征以及振动频谱线的表现不同，针对此类故障则需要采取在线监测的方式，将正常的振动频谱作为基准来在线监测齿轮箱的运行情况，比较实际运行的振动频谱与此基准来诊断和监测齿轮箱故障。引起此故障的原因可能是由于润滑不当而造成轴承和吃面损坏，比如润滑剂失效或者散热不佳等原因。或者是在设计阶段存在参数精度方面的设计问题，以及由于齿轮箱部件出现共振等原因而引发齿轮断裂或者偏移故障等剧烈振动引发的危害等。

5、风力发电机组振动故障的诊断

在目前的振动故障诊断过程中，主要采取倒频谱分析、冲击脉冲技术、包络谱分析技术、尖峰能量技术、小波分析技术、峭度、偏斜度和峰值因子分析方法等开展故障诊断，得出准确反映设备运行状态的数据和结果。为了降低故障概率，需要对润滑剂进行定期检查，及时补充和更换润滑剂。还要结合不同用户的实际需求对设计数据进行调整，以应对不同地区的不同风力变化以及交变应力等。最后就是通过在线振动状态监测系统的应用对风电机组传动链运行状态等进行评估和诊断，及时发现故障隐患并进行准确和快速的诊断与处理。

6、风电机组在线振动状态监测系统

在风电机组中针对振动故障所采用的状态监测系统主要是SCADA系统，主要用于对风电机组各部件以及子系统的状态参数数据进行采集和记录，经过对比分析来判断设备和系统运行情况。此系统主要有振动传感器和转速传感器、智能采集单元等组成，通常在传动链的主轴、齿轮箱以及发电机等容易出现振动故障的部位设置振动监测点，将低频加速度传感器安装在主轴承、一级行星轮大齿圈等转速较低的位置，其他部位则需要安装通用型加速度传感器。此系统所采用的技术主要有頻谱分析、时域分析以及变速变载分析技术等，可以评估齿轮箱、发电机的平衡、对中、连接和齿轮啮合等状态，结合风速、转速以及功率等参数对评估标准进行智能调整并作出归一化的评估值。

7、结语

振动故障是风电机组运行中的常见故障，其会对机组的正常和安全运行产生直接影响。为此就需要基于其安全运行以及出现振动的原理，总结其常见故障，采取正确且有效的故障诊断技术以及应用在线振动状态监测系统来预防和处理振动故障，保障机组的稳定运行。

参考文献：

[1] 章筠. 风力发电机组振动故障诊断案例推理系统[J]. 装备机械， 2018（2）：13-16.

[2] 杨衎. 某风电场机组振动故障实测分析[J]. 风能， 2018， No.105（11）：75-78.

[3] 李浪， 刘辉海， 赵洪山. 风力发电机振动监测与故障诊断方法综述[J]. 电网与清洁能源， 2017， 33（008）：94-100，108.

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