基于噪声特征的水电机组故障诊断技术研究与实践

郝国文，何 铮，陆小康，陈泽阳，夏斌强，魏 李，郭晓敬，朱思多

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100048；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居县 317312；3.北京华科同安监控技术有限公司，北京市 100043）

0 引言

水电机组运行稳定性的指标包括机组的振动、水压脉动和设备噪声等，其中机组振动和水压脉动测量方法相对成熟，分析方法也很多，但对噪声而言，由于其来源复杂，可分为电磁、机械、空气动力、轴承、电刷等多种类型，且互相重叠混杂，因此，基于噪声测量的水电机组故障诊断技术，尤其是振源查找和噪声分析，一直是水电机组状态分析、故障诊断和优化运行的技术难题[1]。

水电机组运行过程产生的噪声，本质上也是一种污染，可以通过测定噪声的大小，来评价其对环境污染的程度，并通过适当手段来减轻和改善噪声[2]。另外，通过噪声可以了解机组运行的状态，尤其是提前发现运行故障，实现对状态的预警和故障的判断分析。

1 噪声测量基本原理

声音是由于物体（气体、液体和固体）的振动而产生的，这种振动通过不同的传播介质向外传播，形成声波。

1.1 声压级

声波在空气中传播时，使空气密度发生变化，从而引起压力的增大或减小，这个变化量就是声压，用P来表示，单位是Pa（帕）[3]。正常人耳刚能听到的最小声压是2×10-5Pa，但由于声压的增加与人的听觉不成比例，而是近似对数关系，因此引进了成倍比关系的对数量——声压级LP，其单位为dB（分贝），其表达式为：

式中：P0——基准声压；

P——当前测量的声压[3]。

1.2 计权声级

同一声压级不同频率的响度并不一样，为了使一个声波的声压级接近人耳的响度感觉，就要对声波中的各种频率分量进行“加权或者计权”处理，图1 为不同频率下噪声的等响度曲线。

图1 等响度曲线Figure 1 Equal loudness curve

声级计频率计权是指其恒幅稳态正弦输入信号级与显示装置上指示信号级两者之间作为频率函数关系而规定的差值，频率计权用分贝（dB）表示。

对频率进行A 型计权后得到总声压级，称为A 计权声级，用A 计权声级对连续宽频带噪声所做的主观反应测试能很好地反应人耳的响应，工程上采用比较多的是A 计权[4]。

1.3 倍频程

为了便于观察声音信号的能量分布，并不需要了解每个频率分量上的能量大小，而是对某一频段的能量大小比较关心，因此把20 ～10kHz 频率范围分成几个部分，每个部分称为频带或者频程，包括下限频率f1和上限频率f2，其频带宽度为f2～f1，中心频率为fc=（f1×f2）1/2，对各个频带的分割频率和中心频率，规定几种n倍倍频程带，n由式（2）决定：

当n=1 时，f2/f1=2，频率比值所确定的频程为1 倍频程，通常称为倍频程。

2 水电机组噪声信号特征

水电机组在运行中会产生振动，继而产生噪声，产生异常振动的因素很多，总体而言，可分为水力、机械和电气三个方面。

2.1 机械因素引起的振动噪声

机组制造、安装和调试过程中，会出现转动部件与固定部件旋转中心不在同一轴线、推力头镜板与主轴不垂直、主轴法兰连接不好等情况，在这些情况下，由于机组轴向不正等原因，机组转动时产生不平衡离心力，导致异常振动产生噪声。另外，机组在转动部件质量静不平衡、主轴弯曲或零部件松动、脱落等情况下，长期运行会产生机械变形，从而引发机组振动而产生噪声[5]。

当导轴承的间隙过大或松动时，会引起机组的径向振动，当机组运行不稳定且润滑不良产生干摩擦时，机组振动加剧而产生噪声。

2.2 水力因素引起的振动噪声

水力原因引起的噪声主要是由于水轮机过流部件型线的设计不够合理或者机组在非设计工况下运行，在流场中产生不良漩涡，这些漩涡的运动变化就会产生振动，常见的水力因素形成噪声的过程及原因如表1 所示[6，7]。

表1 水电机组水力因素引起的噪声Table 1 Noise produced by hydraulic factors of hydropower unit

2.3 电磁因素引起的振动噪声

因发电机加工制造以及安装方面的原因，比如转子、定子圆度不可能完全为正圆，容易出现不平衡磁拉力，在发电机高速旋转的情况下，该不平衡磁拉力会引起机械振动和噪声。另外，定子铁芯叠片松动、定子产生的次谐波磁动势和负序电流等也会引起的机组振动。

3 噪声诊断分析方法

3.1 发电机噪声诊断

为了对机组在运行过程中的噪声源进行识别，设计了一套基于噪声的诊断分析方法。本文以发电机噪声为例，对整个推理分析过程进行说明。

发电机在运转过程中由于存在电磁作用、机械摩擦振动、气流运动，会形成冲击、振动力波而产生噪声，其可分为机械噪声、电磁噪声和通风噪声三大类[8，9]。

机械噪声包括轴承噪声、转子不平衡引起的低频噪声和结构部件摩擦碰撞或共振产生的噪声，一般低速时表现为断续或具有周期性，高速时表现为连续的高频噪声。因此，可在机组开机空转运行时，待转速达到额定转速稳定后，关闭导叶，使机组自由停机，如果发电机转速由低到高的过程中，其声音由断续周期至连续高频的变化，停机过程中随着转速的降低，声音又由连续高频至断续周期的变化，则为机械噪声。

通风噪声是指空气动力噪声，由气体流速决定的，当转速接近额定转速时会明显增大。如果整个机组的开机空转与停机停过程中，声音的变化由小到大，又由大到小，则为通风噪声。产生通风噪声的主要原因有：

（1）转子旋转时空气受到冲击及空气经过电发电机时产生的环流发出的声音。

（2）通风零部件松动或变形，其中转子上的附属风扇叶片的松动会产生一种轻微的金属撞击声。

（3）进风、出风口的设计不合理或局部面积的减少，会使空气阻力增大而产生呼呼的风声。

电磁噪声是发电机运转时，定子与转子间的气隙磁场产生了径向力，使发电机产生电磁振动而形成，电磁噪声在发电机通电后才产生，断电后噪声即消失。因此，如果定子绕组端部不合要求，如定子绕组绕制、整形不好，造成空气阻力的增加与气流冲击的出现，而导致涡流的形成。而随着励磁的电流的加入与增大，机组运行噪声也随之明显增加，且励磁电流消失后噪声也随之立即消失或大大减少，则主要为电磁噪声。

因此，对发电机组噪声的诊断推理过程，总结如图2 所示。

图2 发电机噪声诊断方法Figure 2 Diagnosis scheme for generator noise

3.2 水轮机噪声诊断

图3 是某电站不同负荷下对应机组不同位置的测量噪声，其L 声级和A 声级随负荷变化，可以看到，尾水门噪声随负荷变化影响较大，根据表1 可知，其噪声的主要影响因素为水力因素，尤其在涡带区噪声尤为明显，即尾水管涡带造成压力脉动和噪声。

水轮机组在涡带区运行时，管道内部压力过高，此时噪声和振动幅度都会变大，严重的情况下，甚至可能导致厂房共振，带来不可估量的危害和损失。

对这种问题，可选择负倾角翼型模式转轮，从而达到对上冠与泄水锥形线的优化，如果安装的是高水头混流式水轮机，可使用带副叶的转轮，机组在涡带运行区域运行时，进行强迫补气，通常能大大减少尾水门噪声。

图4 是某电站在振动区域伴随异常金属啸叫声[10]。噪声主要频率与机组振动频率一致，为100 ～500Hz 的频率，有时会出现2 个甚至2 个以上的主要频率区域，根据分析发现，幅值随机组负荷的变化趋势与顶盖振动基本相同。

图4 水车室噪声随负荷变化频域瀑布图Figure 4 Waterfall plot of frequency for noise in turbine room with various loads

通过对图4 中水车室噪声和机组本身振动、转轮固有频率分析判断，基本确定水轮机存在卡门涡共振问题，最终通过叶片修型，即采取削薄非对称出水边形状，提高卡门涡频率，减低卡门涡的激振幅值，达到避免或消除卡门涡共振的效果。

4 噪声监测与分析系统

以在浙江仙居抽水蓄能电站为例，为了深入研究抽水蓄能发电电动机风洞和水车室综合状态，提升浙江仙居抽水蓄能发电电动机风洞和水车室综合状态的数字化、信息化、智能化运维能力，通过安装状态监测系统，对其开展了智能图像监测、声学监测、热成像监测和总烃含量监测。

系统在发电机风洞内安装4 个声学传感器，实现对风洞内的全方位声学监测。在水车室内安装2 个声学传感器，在蜗壳人门孔和尾水人门孔各安装1 个声学传感器，实现对水车室和水轮机的声学监测。配置1 套声音预处理器，用于采集声学传感器过来的信号，并通过通信方式将声音数据传输至声音/温度数据采集单元进行集成分析。

系统现场运行照片如图5 所示，噪声监测数据界面如图6 所示。

图5 系统结构图及现场安装照片Figure 5 Scheme of system structure and installation photo

图6 噪声监测数据界面Figure 6 System interface for noise monitoring

5 结束语

在水电机组状态监测与故障诊断方法中，噪声分析具有比较独特的作用，但由于其频率成分复杂，产生噪声的因素众多，因此，噪声监测与分析并没有受到与振动、摆度、水压脉动等信号同样的重视程度，但噪声分析作为稳定性测量的补充，能够在机组出现故障时为其诊断和分析提供更多的依据。

随着大数据分析、机器学习和人工智能等技术在水电机组状态监测与故障诊断中的应用，噪声信号的特征提取、声学场的建立、噪声信号与流体特性的关联等技术，必将继续向前发展，并得到越来越广泛的应用，最终为保证机组安全、高效运行提供指导。