文／程人杰 王春光 楊洪源

風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

文／程人杰 王春光 楊洪源

當(dāng)前，面對(duì)風(fēng)能行業(yè)機(jī)組運(yùn)維成本過高的問題，風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主和整機(jī)廠商都在尋求技術(shù)解決方案。該問題的背后包含了機(jī)組部件的工作穩(wěn)定性差，故障頻發(fā)，需要經(jīng)常檢修甚至更換等因素，也包含了在一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部，需要檢修的機(jī)組不能提前預(yù)知，經(jīng)常是機(jī)組故障停機(jī)之后再去進(jìn)行故障排查的被動(dòng)情況。

如果能利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行情況，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較早評(píng)估機(jī)組的工作健康狀態(tài)，可以提前安排每臺(tái)機(jī)組的檢修時(shí)間，及時(shí)準(zhǔn)備備件，合理協(xié)調(diào)運(yùn)維計(jì)劃，從而減少停機(jī)時(shí)間，提高發(fā)電量，降低風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維成本。

發(fā)電機(jī)振動(dòng)和噪聲源分析

一、 發(fā)電機(jī)電磁激勵(lì)振動(dòng)噪聲

電磁噪聲是風(fēng)電機(jī)組的主要噪聲之一，在多極數(shù)的風(fēng)電機(jī)組中，電磁噪聲顯得比較突出。一般情況下隨著發(fā)電機(jī)功率的增大而增加。電磁噪聲與發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，電磁噪聲將會(huì)十分顯著。因此，通過電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)及工藝處理，研究降低電磁噪聲的措施是非常必要的。

二、 機(jī)械振動(dòng)噪聲

機(jī)械振動(dòng)噪聲主要包括軸承噪聲，轉(zhuǎn)子不平衡噪聲及碳刷與集電環(huán)摩擦所引起的噪聲。

（一）軸承通過振動(dòng)噪聲

滾動(dòng)軸承由軸承內(nèi)圈，滾珠，滾珠保持架和軸承外圈組成。軸承外圈不轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承內(nèi)圈和轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，而滾珠在軸承內(nèi)圈的滾道和軸承外圈的滾道及保持架中滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)，保持架又被滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)著的滾珠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。因此，軸承內(nèi)外圈滾道中的波紋、凹坑、粗糙度，潤滑脂質(zhì)量的優(yōu)劣和安裝誤差均是產(chǎn)生軸承噪聲的關(guān)鍵因素。

（二） 轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)噪聲

高轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)子必須嚴(yán)格地進(jìn)行動(dòng)平衡檢驗(yàn)，以減少轉(zhuǎn)子殘余不平衡量，轉(zhuǎn)子不平衡噪聲的頻率等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率。雖然頻率不高，一般在400Hz以下，但由于引起電機(jī)振動(dòng)，從而使各部分的噪聲增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度達(dá)到G2.5級(jí)時(shí)，轉(zhuǎn)子不平衡所引起的噪聲和振動(dòng)都能顯著得到改善。

（三） 碳刷與集電環(huán)摩擦的振動(dòng)噪聲

由于碳刷壓在旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上，如果碳刷的材質(zhì)和集電環(huán)的使用不能匹配，這時(shí)碳刷和集電環(huán)之間可能會(huì)產(chǎn)生氣墊，會(huì)產(chǎn)生鳴音。

（四） 通風(fēng)振動(dòng)噪聲

通風(fēng)噪聲主要由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)（包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇，冷卻器風(fēng)扇，集電環(huán)冷卻器風(fēng)扇），使空氣流動(dòng)，撞擊，摩擦而產(chǎn)生。噪聲大小決定于風(fēng)扇的大小，形狀。電機(jī)轉(zhuǎn)速高低和風(fēng)阻風(fēng)路等情況。

空氣噪聲的基本頻率fv∶ fv＝N * n/60(Hz)

其中，N－風(fēng)扇葉片數(shù)；n－電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm)。

風(fēng)扇直徑越大，噪聲越大，減小風(fēng)扇直徑10%，可以減少噪聲2dB－3dB，但隨之冷量也會(huì)減少。當(dāng)葉片邊緣與通風(fēng)室的間隙過小，就會(huì)產(chǎn)生笛聲。如果葉片形狀與風(fēng)刷的結(jié)構(gòu)不合理，造成渦流，同樣也會(huì)產(chǎn)生噪聲。由于風(fēng)扇剛度不夠，受氣流撞擊時(shí)發(fā)生振動(dòng)，也會(huì)增加噪聲。此外，轉(zhuǎn)子有凸出部分，也會(huì)引起噪聲。

聲發(fā)射與振動(dòng)測(cè)試技術(shù)

一、 聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)

材料中局部區(qū)域應(yīng)力集中，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE),有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。這種直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的源，被稱為聲發(fā)射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機(jī)制無直接關(guān)系的另一類彈性波源，被稱為其它或二次聲發(fā)射源。 利用這種“應(yīng)力波發(fā)射”進(jìn)行的無損檢測(cè)，具有其他無損檢測(cè)方法無法替代的效果。常見聲發(fā)射設(shè)備見圖1。

聲發(fā)射檢測(cè)過程可以歸納為：從聲發(fā)射源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)介質(zhì)傳播后到達(dá)換能器，由換能器接收并輸出電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)處理分析對(duì)聲發(fā)射源做出正確的解釋。

聲發(fā)射的產(chǎn)生由于材料中局部區(qū)域快速卸載使彈性能得到釋放的結(jié)果。如果固體中所有的點(diǎn)在同一時(shí)間收到同一機(jī)械力作用，那么這個(gè)物體在時(shí)間和空間上將同時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化，這個(gè)物體作為一個(gè)整體而運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過程就不會(huì)產(chǎn)生波的過程，只有在局部作用時(shí)，物體各部分有速度變化，才出現(xiàn)波的過程。聲發(fā)射源快速卸載的時(shí)間決定聲發(fā)射信號(hào)的頻譜，卸載時(shí)間越短，能量釋放速度越快，聲發(fā)射信號(hào)的頻譜擴(kuò)展的越高。能量釋放的速度取決于聲發(fā)射源的機(jī)制。理論計(jì)算表明，不同的材料和不同的聲源機(jī)構(gòu)，聲發(fā)射信號(hào)的頻率分量可以從次聲頻擴(kuò)展到50MHz的超聲頻。

二、 聲發(fā)射測(cè)試設(shè)備

聲發(fā)射測(cè)試設(shè)備包括傳感器，數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)處理軟件。由于聲發(fā)射信號(hào)需要對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行長期不間斷的測(cè)試，同時(shí)相較于振動(dòng)信號(hào)，有采樣頻率高等優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)特點(diǎn)對(duì)比見表1。本研究選用美國物理聲學(xué)公司研發(fā)的聲發(fā)射測(cè)試傳感器，該傳感器可以同時(shí)采集機(jī)械結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)，詳細(xì)性能見圖2。

圖1 聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前常見的風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)主要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信息，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)設(shè)定的振動(dòng)報(bào)警閥值來進(jìn)行機(jī)組工作狀態(tài)分析。本研究力圖將機(jī)組聲發(fā)射/振動(dòng)數(shù)據(jù)信息與外部工作條件信息（如風(fēng)速，風(fēng)向等SCADA監(jiān)測(cè)信息）相結(jié)合，共同作為振動(dòng)故障判斷的依據(jù)。此方法的優(yōu)勢(shì)在于可以區(qū)別機(jī)組在不同工作狀態(tài)下的振動(dòng)烈度，減少機(jī)組振動(dòng)報(bào)警和故障誤判的機(jī)率。圖3為本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作過程概覽。

表1 聲發(fā)射信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)對(duì)比

圖2 聲發(fā)射/振動(dòng)一體傳感器

一、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于單個(gè)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：聲發(fā)射/振動(dòng)一體傳感器，數(shù)據(jù)傳輸線，數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)處理軟件。主要采集傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)前后軸承處的聲發(fā)射/振動(dòng)信號(hào)，發(fā)電機(jī)的接地電壓等信號(hào)。

對(duì)于某風(fēng)電場(chǎng)，采用分層的管理架構(gòu)對(duì)每一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。具體風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)體系見圖4。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)時(shí)測(cè)試布置在風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)前后軸承座表面的聲發(fā)射和振動(dòng)數(shù)據(jù)。對(duì)于聲發(fā)射數(shù)據(jù)，通過時(shí)域信號(hào)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)的分析方法記錄下每一時(shí)刻的測(cè)試結(jié)果，在一個(gè)較長的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)進(jìn)行趨勢(shì)分析，確定發(fā)電機(jī)前后軸承的健康狀況，提早發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部損傷。對(duì)于振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過頻域信號(hào)處理分析確定振動(dòng)幅值是否超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合機(jī)組當(dāng)前工作狀態(tài)，判斷下一步需要進(jìn)行的動(dòng)作,該系統(tǒng)工作原理圖解詳見圖5。

經(jīng)過對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)狀態(tài)的長期監(jiān)測(cè)，最終形成一個(gè)完整機(jī)組部件故障數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)一步采用FEMA故障診斷方案確定發(fā)電機(jī)故障來源奠定基礎(chǔ)。

三、 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)管理部分與數(shù)據(jù)分析程序，其中數(shù)據(jù)管理涉及程序管理和權(quán)限管理功能，數(shù)據(jù)分析程序主要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)和頻域分析處理，利用分析結(jié)果，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)組當(dāng)前工作信息一起，對(duì)機(jī)組發(fā)電機(jī)健康狀況進(jìn)行識(shí)別。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖6。

圖3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能概覽

圖4 某風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)體系

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序結(jié)構(gòu)

結(jié)語

對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握發(fā)電機(jī)的健康狀態(tài)，是進(jìn)行有效運(yùn)維的前提。本文利用聲發(fā)射信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案，進(jìn)一步將通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來評(píng)估該系統(tǒng)的工作可靠性。

（作者單位：北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司）