发电机振动故障及状态监测

詹普元

(三峡大学电气与新能源学院高电压与绝缘技术，湖北 宜昌 443002)

1 引言

计算机技术和测量技术、传感器技术的发展为保证这些旋转机械的安全运行提供了可能。采用计算机对电力设备实施在线状态监测，不仅能及时了解设备当前的工作状况，进行报警监测，还可将设备各种工作状态下的数据、信息进行存储、管理和分析，实现故障预报和早期诊断，并视情指导和安排维修计划，提高设备利用率，增加产值，减少人力物力的浪费。对于发电机组来说，振动故障原因及其状态的在线监测对于其正常运行意义重大。

2 发电机组不正常振动的危害

发电机组不正常振动会严重威胁发电机的运行，其危害有［1］:

(1)使机组各连接部件松动，各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至产生“扫膛”而造成部件损坏，机组高速转动部分的相互磨损，会让轴承烧毁;

(2)导致机组各部件金属和焊缝疲劳破坏区的形成，振动剧烈时会导致调速系统油管路接头部分松动脱落，使机组无法正常运行，缩短了机组的使用寿命;

(3)使机组各部位紧密连接部件松动，不仅会导致紧固零件本身的断裂，而且会加剧被其连接部分的振动;

(4)当其振动频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，引起机组出力不正常波动，可能会造成机组从电力系统中解列，造成严重经济损失。

3 发电机组振动故障分类

对发电机机组振动状态进行状态监测极其重要，而发电机组振动故障的正确分类是机组振动故障的识别与诊断的第一步。根据其发生的原因不同可分为:机械振动故障和电磁振动故障。

3.1 机械振动故障原因

(1)转子不平衡。由于转子本身的制造误差、装配误差、材质不均匀等各种原因引起的。另一方面可能由于转子在运行中由于腐蚀、介质、磨损以及受疲劳力的作用，使转子的零部件局部损坏、脱落而造成的不平衡［3］。

(2)转子弯曲。由于制造误差大、转轴结构不合理、长期运行后自然弯曲等方面的原因。或者是由于开机时暖机不足、转子的转轴有较大预负荷、转轴变形不均匀等造成［4］。

(3)转子支撑系统松动。转子支撑系统松动是指配合过盈量不足或支承系统配合间隙误差大，或是配合面的联接螺栓紧固不牢产生的异常振动。

(4)转子不对中。由于机器的安装误差、机器基础的沉降不均以及承载后的变形等，使机器工作时各转子轴线之间产生角度位移、平行位移或综合位移等对中变化误差［5］。

(5)油膜振荡。主要由轴润滑油不良、承间隙不当、油温和油压不当等原因引起［6］。

(6)碰摩。由于轴承间隙小、密封间隙等原因而引起的发电机组转动部件与静止部件之间的摩擦碰撞。

表1 7种机械振动故障的特征量［7］

3.2 电磁振动故障原因

(1)转子绕组匝间短路。由内冷转子绕组局部过热导致匝间绝缘烧毁、绕组铜线蠕变留下的残余塑性变形而导致的匝间绝缘损伤等。

(2)定转子之间气隙不均。定转子之间气隙不均有转子铁心不圆、定子中心和转子中心不重合等原因。

(3)定子绕组端部振动。由于定子绕组所承受的电动力在两导体之间的作用和电流的平方成正比，如果固定不好，短期就可能使绝缘磨损甚至击穿的程度。

(4)转子中心位置偏移。由于转子中心位置偏移引起的磁通分布不均匀，严重时将导致轴承油膜击穿，并使轴振动加剧，形成轴电流而烧伤轴瓦［8］。

(5)不对称负荷。当定子各相电流的对称度被破坏时，出现负序磁场，产生负序电流，由于负序磁场与正序旋转磁场之间相互作用而产生两倍基频的附加振动。严重不对称时，振动可能影响发电机组的正常运行［9］。

(6)电磁谐振。电磁谐振是当其他振源的振动频率与发电机本身的固有振动频率相接近甚至重合时而发生的振幅增大现象。

表2 7种电磁振动故障的特征量［7］

4 振动参数

为了正确对发电机振动故障进行诊断，必须对其振动参数进行监测，这些参数包括描写设备振动状态的动态参数，描写位置的静态参数和其它参数。

4.1 动态参数

(1)振幅:振幅是表示机组振动严重程度或烈度的一个重要指标，根据对振幅的监测，可以判断机组是否在平稳地运转。通常高频取加速度，中等频率的振动取速度，对于频率比较低的振动取位移或速度为测定的参数［9］。

(2)频率:由于不同的振动源，振动频率不同，因此频率常作为分析振动原因的重要依据。旋转机械的振动频率，通常用机械运行转速的倍数或分数来表示。

(3)相角:相角测量可用来描述某一特定时刻转子的位置，一个好的相角测量系统能够确定每一传感器信号上对应的机器转子的“高点”相对于转子上某一固定点的位置。机器转子的平衡状态改变将引起高点的变化，这种变化能通过相角变化显示出来。

(4)振动形式:通过对振动形式的观测，能直观地了解某机器的运行状态。振动形式是显示在示波器上的原始振动波形。振动形式无论对预防性维修和预测性维修都是最基本的参数。

(5)振型:所谓振型是转轴在一定转速下，沿轴向的一种变形。

4.2 静态参数

(1)偏心位置:偏心是测量轴承磨损，预加负荷状态的一种指示。定期测量偏心位置是绝对必要的，另外在机器的启动期间，也应该密切注意偏心位置。

(2)轴向位置:轴向位置测量可用来描述止推盘和止推轴承之间的相对位置。对于蒸汽透平或离心压缩机来说，轴向位置可能是最重要的测量参量。

(3)差胀:对大型蒸汽透平等机组，要求启动时机壳与转子必须以同样的比率受热膨胀。如果机壳与转子受热膨胀的比率不同，就可能发生轴向摩擦造成振动而使机器受到损害［10］。

(4)机壳膨胀:对某些大型机组，除了监视差胀外，还要监视机壳膨胀。知道了机壳膨胀和差胀，就可以确定转子和机壳的膨胀率。如果机壳膨胀不正常，机壳的“滑脚”就会被卡住。

(5)对中:在压缩机组和燃气轮机驱动泵机组的安装过程中常会出现这种故障。通常利用机组中各种不同机器的膨胀资料，并经过计算画出一份安装对中图纸，作为一种粗略的参考，最后还要用仪器来确定机组的热运转状态［11］。

4.3 其他参数

(1)转速:转速即为每分钟转轴的转数，单位r/min。大多数机组都要求连续显示其转速在对机组运行状态分析中找出振动和转速之间的关系是很重要的。

(2)温度:温度也是分析机器某些特定部件状态的重要参数，尤其是轴向和径向轴承中巴氏合金衬套的温度要长期监测。同时分析温度和振动、位置参数关系，有助于我们发现机器可能存在的故障。

(3)相关性:在对运行中机器进行全面系统分析时，弄清温度、压力、流量和其他一些可能影响机器运行状态的外部参量之间的相互关系是非常重要的。它有助于最终确定某一特定机器的运行状态，并制订一个较好的预测维修方案。

5 测点设置和参数获取

5.1 测点设置

容量小于30MW的发电机组一般只设轴径向振动测点，在各导轴承处设置两个传感器，进行相对值测量。

容量为30～100MW的发电机组固定部件测点设置:对装有带推力轴承的支架安置一个垂直振动传感器，装有导轴承的支架安置一个水平振动传感器。固定部件的测点全部进行绝对值测量。

轴径向振动在各导轴承处设置两个传感器，进行相对值测量。

容量为100～300MW的发电机组轴径向振动在各导轴承处安置两个传感器，进行相对值测量。固定部件测点设置:水轮机顶盖安置一个垂直振动传感器;对装有导轴承的支架安置一个水平振动传感器;定子铁心或机座安置垂直、水平振动各一个传感器;装有带推力轴承的支架安置一个垂直振动传感器。固定部件的测点全部进行绝对值测量。

容量大于300MW的机组轴径向振动在各导轴承处设置两个传感器，进行相对值测量。固定部件测点设置:对装有带推力轴承的支架设置两个垂直振动传感器;装有导轴承的支架设置两个水平振动传感器;定子铁心或机座设置垂直、水平振动各两个传感器;水轮机顶盖设两个垂直振动传感器。固定部件的测点全部进行绝对值测量，互为备用。

图1 风力发电机振动状态监测系统传感器安装布置图

图1表示的是风力发电机振动状态监测系统传感器安装布置图，其中编号为①表示速度传感器;编号为②的是加速度传感器;编号为③的是转速传感器。可根据各传感器测得的数据分析机组的运行状态。

5.2 参数获取

振幅:由于传感器技术的发展，人们已经开始采用非接触式的电涡流传感器直接测量转轴的振动状态，以得到有关转轴振动幅度的更精确数据，从而得到机组运行状态的确切信息。

相角:目前测量相角的最准确可靠的方法是利用非接触式或光电式传感器(键相器)，感受固定在轴上的键或槽产生的每转一次的脉冲信号，作为相位测量的基准信号，此时相角的定义可修正为键相器脉冲和振动的第一正峰(相应于机器转子的高点位置)之间的角度差［12］。

轴向位置:监视轴向位置至少要安装一个电涡流传感器，最好是两个，以便提供可靠的信息。测量轴向位置的电涡流传感器还能同时测量轴向振动，在分析某些机械故障状态时，轴向振动是一个很有意义的参数。

偏心位置:偏心位置的测量是通过安装在轴承处的监测径向振动的同一传感器进行的，其输出信号的直流成分即代表偏心位置(径向间隙)。偏心度:偏心度一般由安装在远离轴承处的传感器来测量。

差胀:测量差胀时要把电涡流传感器安装在机器末端与止推轴承相反的一侧。

振型:测量振型的方法是沿转轴的轴向每一固定间距放置一组互成90度的X－Y传感器，分别测得相应转轴截面的中心线振动情况，综合所测量的这些数据便能得到转轴的振型。

机壳膨胀:机壳膨胀的监测通常由安装在机壳外部，以地基为参考基准的线性可变差动变压器(LVDT)来完成的。

对中:在热对中测量技术方面，可以利用类似于大地测量用的光学仪器或激光技术来测量不同机壳的转轴之间的相对位置的变化。

加速度:加速度传感器可以将振动的加速度转换成电信号输出的传感器，其输出量与输入的振动加速度成正比。

转速:转速的测量可以通过转子的旋转引起的周期信号的频率进行测量，如下图所示，通过公式计算出转子的转速:

i:测速盘上的小孔数;

t:采样时间，单位为s;

m:t时间内检测到的信号数;

n=转子的转速。

图2 转速测量系统结构示意

6 结束语

发电机组的振动状态监测正处在一个高速发展的时期，随着传感器技术的发展，一些耐高温、高压的传感器得到了应用，能够更加精确的测得各种参数，同时，计算机技术的发展为数据分析提供了一个良好的基础，使得故障前的预防和故障后的检修更加精确、便利。另一方面，振动参数的测点设置、传感器的选择也是影响所获取的参数是否正确的重要因素，而且也是对故障原因的分析和诊断检修的重要依据。由于个人水平有限，本文在技术层面不够深入，有待改进。

［1］孟云.汽轮发电机组运行中的异常振动事故处理及预防措施［J］.科技技术应用，2012.

［2］陈珊珊，杨跃.大型风机振动状态监测与故障诊断［J］.鞍钢技术，2003.

［3］刘文艺.风电机组振动监测与故障诊断研究［D］.重庆大学.

［4］时轶.风力发电机组振动测试技术研究［D］.新疆农业大学，2007.

［5］唐新安.600kW风力发电机组故障诊断［D］.新疆大学，2006.

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［7］张彼德.汽轮发电机组振动多故障诊断模型及方法研究［D］.重庆大学.

［8］李虎.大型风电机组振动状态监测系统开发［D］.华北电力大学，2009.

［9］王煌，姜德政.水电厂推行状态检修工作的思考［J］.水电厂自动化，2007，3:43 －46.

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［11］马元奎.汽轮发电机组振动信号处理及智能诊断方法研究［D］.南京:东南大学，2001.

［12］王卫东.165MW汽轮发电机组轴瓦振动问题的分析［J］.工业技术，2013.