风力发电机组振动状态监测与故障诊断

牛亮

（国家能源集团国华河北公司甘陵风电场，河北衡水 053000）

0.引言

风力发电机组的装机容量越来越大，其结构形式也变得更加复杂，给日常维修和故障诊断增加了难度。异常振动是风力发电机运行中常见的故障类型，根据振动产生原因不同，可分为电磁振动、机械振动等型式。依托信息技术设计一种智能、自动的振动监测系统，能够实现对发电机组振动工况的实施采集、反馈和分析，一旦监测到异常振动，立刻进行报警。除了提醒机组管理人员故障问题外，还会提供故障位置、类型，甚至智能生成处理方案，从而为发电机的故障诊断提供辅助[1]。

1.概述风力发电机组振动

1.1 分析整机系统振动

目前，根据风力发电机组研究情况，机组实际运行过程汇总振动故障是比较常见的问题，其原因复杂而且解决难度比较大，如果问题严重的化就会严重损害机组设备甚至引发重大事故。实际研究工作中，将风机整体系统划分为搭架-机舱系统、根部刚性固定叶片与传动系统3部分。风力发电机运行时，发生振动情况后会引起共振问题，比如实际应用过程中，风力发电机自身风载、叶轮转动与开关等使得风机出现剧烈振动，此种振动引起轴承、齿轮副与联轴器等部件发生振动最终损坏设备，设备使用寿命与质量受到威胁。

1.2 分析机组偏航系统振动

综合分析风力发电机组实际应用情况，因偏航系统构建故障概率比较大，小型风力发电机中此种情况比较常见，主要是因转子周期变化与旋转力间出现共振。风力发电机组实际运行中，系统承受更大的荷载力，偏航力矩不断变化引起扭转震动，特定位置不同方位引起明显摩擦阻尼与牵制力。

1.3 研究机组叶片振动情况

风力发电机组中叶片部件非常重要，展向长、弦向短且柔韧性好等是多数叶片普遍具有的特点，该部件实际运行中极易发生振动，运动稳定性对风机整体运行质量有着重要的影响。现阶段，风机实际运行中，因自身惯性力与重力等因素影响叶片形成激振力，通常振动状态比较稳定时，静态发散与颤振情况下引起强烈振动，风力发电机正常运行受到影响。

1.4 分析风机主轴承振动

风力发电机组实际运行过程中，主轴承振动是指滚动轴承各部为结构、工作状态及受损状态等因素引起。必须要注意，轴承座传递的外界荷载与激励信号，很大程度上对主轴承振动情况带来影响，其他因素也会随机引起主轴承发生振动，根据实际情况分析轴承振动频谱，其主要包含低频段、中频段与高频段3部分。

2.风力发电机组传动部件常见故障

2.1 滚动轴承故障

很多风力发电机组所处的环境非常恶劣，因此造成机组零部件容易出现各种故障的现象。风力发电机组故障一般可以分为两类，包括电气相关的故障和机械相关的故障。无论哪种故障都会对机组运行造成非常严重的影响，当这种故障累积到一定程度的时候，就会对机组造成非常严重的影响，甚至会产生重大事故。为了保证轴承正常运转，从而提升发电质量，需要加强对轴承存在的各种故障进行研究。轴承表面较为光滑、摩擦力比较小，因此在进行安装与维护过程中较为简单方便，轴承还承担着一定的重量荷载，并带着这种负载一起转动。风力发电机组有多种不同的轴承，分布在主轴、发电机前后以及齿轮箱等位置。在实际运行过程中，轴承一旦出现故障会严重影响机组运行，有可能会造成机组停机的问题，会使得企业因为停机而受到经济方面的损失。据调查，所有的机械故障中，由于振动产生的故障占70%，而在这些振动故障中，轴承又占了30%。因此在风力发电过程中，会很大程度上受到轴承的影响出现故障[2]。滚动轴承一般有轴承内圈、滚动体、轴承外圈以及保持架4个部分。在设计安装过程中，如果存在零部件以及工艺上的问题，就会引发故障。在工业生产中，轴承容易受到腐蚀，还会在表面吸附微粒物，会由于承受过重的负载而使得轴承使用时间不长就出现损坏和故障。轴承一旦出现故障，最开始的时候很难发现，这些故障信号会被振动噪声所淹没，使得轴承故障没有被发现而持续恶化，最终完全丧失功能才被发现[3]。

2.2 齿轮常见故障

据调查，齿轮失效在齿轮零部件失效故障中经常发生，发生概率约为60%，因此对于齿轮失效故障应进行必要的分析。在齿轮投入到应用中后，齿轮由于制造不良，或者维护维修不及时就会引发齿轮故障，导致齿轮失去相应的功能。齿轮失效后会随着热处理、齿轮材料以及安装运转等状态的不同而不同。齿轮故障主要表现为以下形式。第一，齿形误差。指的是齿轮齿形与理想的齿廓线偏离，主要有制造误差、安装误差和运行误差。齿轮在投入使用之后会形成齿形误差，主要表现在表面不均匀、塑性变形、表面疲劳等。第二，齿轮均匀磨损。指的是齿轮在投入使用后，在啮合过程中存在材料之间的摩擦，从而造成齿轮磨损的现象。主要有腐蚀均匀磨损和磨粒均匀磨损。在齿轮均匀磨损的时候，不会出现严重的齿形误差，所产生的振动信号也存在一定的差别，因此不归结为齿形误差。第三，轴不对中。主要是指在联轴器两端，在设计、制造、安装和使用过程中存在的问题，导致轴系虽然相互平行，但却出现不对中的问题，使得轴上的齿轮存在分布类型的齿形误差。振动信号与单一齿轮齿形误差不同，而轴不对中会导致齿轮存在齿形误差，从而使得信号存在调制。第四，断齿。这种故障一旦产生会非常严重，主要是包含过载断齿以及疲劳断齿这两种形式。疲劳断齿是非常常见的一种，在断齿过程中，冲动能量大，与齿轮误差与齿轮磨损存在不同。第五，箱体共振产生的主要原因是冲击能量过大，激励其齿轮箱箱体的固有频率，从而产生共振现象。箱体共振产生很大的冲击能量会造成严重的故障，这种振动主要有外部激励产生的。第六，轴弯曲。这也是箱体中常见的一种故障，一旦出现轴弯曲现象，会造成轴上的齿轮存在齿形误差现象，这种齿形误差与单一的齿形故障不同，轴弯曲时轴上的所有齿轮都会产生较大的齿形误差[4]。

3.风力发电机组故障诊断技术

3.1 分析机组故障诊断

在进行风力发电机组故障诊断过程中需要结合机组自身的复杂结构，还要结合风力发电机组运行的环境进行综合分析，从而可以得到准确的诊断结果。风力发电机组的结构非常复杂，因此在诊断过程中存在一定的难度。实际诊断工作中应对诊断技术不断创新，通过诊断技术的革新和理念的革新，使得各类故障在诊断过程中可以更加准确，从而为发电机组的故障诊断提供应有的参考。在风力发电机组故障诊断中，应掌握故障的本质，需要充分结合发电机组的电力参数、压力、振动、变形、磨损以及温度等进行故障诊断[5]。

3.2 分析热力参数

基于电流热效应，开展温度监测的故障诊断也是发电机日常检修中常用的技术形式之一。发电机有异常工况时往往会伴随着额外的电能损耗。而电能消耗越多热效应也会更加明显，进而在故障发生位置表现为发电机组成构件的发热现象。通过温度实时监测，将采集到的温度信号，与发电机标准工况下各个部件的温度允许值进行对比。若实测温度在允许值以内，则说明工况良好，反之，则说明存在故障。如果设备长时间处于高温状态，除了会导致部件损坏外，还有可能导致跳闸停机，影响正常发电。因此，温度诊断也是保障风力发电机稳定运行的关键技术。在风力发电机组运行中，应通过对热力参数的分析，也就是对风力发电机组的温度和湿度进行动态分析，从而解决风力发电机组的问题，使得风力发电机组的发电机、运动电机、齿轮箱以及变流器等大部件和控制柜等温度可以及时掌握。从而有效地对风力发电机组的人力参数进行分析，有效地监督风力发电机组的运行情况。还应结合机组的热力参数的变化趋势，对机组故障结果进行反馈，找到发电机组故障准确的位置，并对故障产生的原因进行分析。

3.3 分析机组运行振动

对于振动的分析与应用，是风力发电机组故障检测过程中非常重要的方法，可以利用振动传感器，使其安装在发电机组内齿轮箱、主轴、发电机、支架等部位，准确地测量机组在运行过程中各个部件的振动状态。通过传感器可以有效的反馈振动信号，并对振动进行有效的处理，快速判断出各个部位的转动状态，分析产生振动的原因，并及时解决发电机组的故障。

4.风力发电机组振动状态检测与故障诊断系统设计

4.1 系统总体设计分析

系统有3个模块组成，分别是前端数据采集模块、集中监测模块和远程诊断模块。该系统运行时，首先由布设在风力发电机各处的前端传感器，对设备的振动信息进行实时采集，将采集来的振动信号，通过有线网络反馈给位于风电场升压站的集中监测系统中，将振动信号转化为电信号，由计算机对信号进行分析。若存在异常数据，则自动收集该数据的来源位置，确定故障源。最后，将故障基础信息传送到远程诊断模块，实现远程在线诊断，并为下一步开展维修提供依据，为了尽可能全面收集振动信息，要挑选合适的监测点位。

4.2 振动状态分析

某风力发电厂共有4台1200kW机组，每台机组分别布置6个振动监测点位。连续进行3d的监测，可以发现A机组整体振动较大，其中5#振动信号时域特征值的峰值达到了30.2mm/s2。该监测点是齿轮箱低速轴轴承座，故设备管理人员可针对齿轮箱低速轴轴承座展开进一步的分析，在明确故障原因后采取维修措施。做好风力发电机故障实时监测、科学诊断，对及时发现问题所在、保障机组稳定运行意义重大。构建故障监测与诊断系统，代替人工实现机组运行的全天候、实时化监测，精准识别故障源、及时采取维修措施，从而让风力发电机得以正常运行[6]。

5.风力发电机组基于振动分析法的应用

5.1 振动分析法在叶轮中的应用

叶轮在风力发电机组中，可以有效地活动风能部件，受到如重力、气动力、惯性力等多种循环力的影响，使其处于较为恶劣的环境中运行，因此叶轮是较为容易受损的部位。在调查中发现对于载荷应力检测方面，国外相应的研发出了叶片的监控设备，也就是说通过对叶片的振动情况的监测，或者对传感器的信号特征的监测，可以有效地提取叶片运作中的状态，在结合人工神经网络，对叶轮进行全面的疲劳分析，对发电机组叶轮故障进行诊断。

5.2 振动分析法在齿轮箱中的应用

齿轮箱的结构非常复杂，齿轮箱中存在着型号不同的轴承，对数很多但是啮合种类不相同，因此振动图谱也是非常复杂的，研究发现在齿轮箱故障诊断过程中，可以通过振动状态来进行分析。先利用传感器，根据要求布置检测点，之后将传感器安装在齿轮箱的行行星级，通过振动信号测量水平以及垂直方向的振动情况，通过对视域波形图的以及频谱图的观察和分析，可以有效地观察和分析出齿轮箱中可能存在的故障。比如，对高速轴水平加速度时域波形图进行观察，如果频谱中峰值很高，并超过了标准，还存在多倍谐谱，从而得到发电机与齿轮箱存在较大的偏差，存在不对中的现象。如果频谱以及驱动端轴承内圈存在缺陷频率，则可以说明轴承可能受到损坏。因此振动分析法在齿轮箱故障诊断中有非常重要的作用。

5.3 振动分析法在发电机中的应用

发电机组从正常运行到发生故障，都会有一定的物理反应，比如出现温度升高、振动或者液油检测等。发电机主要结构包括定子、转子、整流器以及电刷等，在对电刷滑环系统分析过程中，由于无法通过常规的方法检测温度，因此很多情况下，都可以利用对振动的监测来判断故障是否出现。有一种基于振动信号的电刷滑环面存在损伤，在检查故障过程中可以在电刷滑环仿真平台中，对系统运行前后产生的振动信号进行分析，从而有效地辨别是否存在故障。

6.结语

我国电力行业在发挥在发展过程中，风力发电已经成为非常重要的方向，不仅不会造成污染，还是可再生能源。但在风力发电机组应用过程中，经常会产生一些故障，影响发电机的应用质量。因此需要加强对发电机组振动状态的坚持和故障诊断工作，在出现异常数据过程中可以及时对设备进行处理，及时做好维护和保养工作，使得发电机可以提升工作效率。风力发电的成本较高，因此做好振动监测和故障诊断工作可以有效的降低损坏程度，降低更换成本，从而促进发电机企业经济效益的提升。