龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
论水利发电机组震动故障诊断技术
作者：陈济茂
来源：《中国科技纵横》2012年第04期
摘要：随着现代技术的迅速发展,水电机组的单机容量越来越大,结构更加复杂,随之而来的机组稳定性问题日益突出。本文笔者阐述了水利发电机组振动的形成原因及特点，探讨了水力发电机组振动故障诊断的主要方法。望得到同行和专家的指导。 关键词：水利发电机 震动故障 诊断技术
1、水利发电机组振动的形成原因及特点
引起水力发电机组振动的原因是多方面的,非常复杂的,是各种干扰力作用的结果。笔者从实践中得出，引发其振动的主要因素有以下几点： 1.1 水力振动
大型水电机组普遍存在水力不稳定的问题，严重影响到机组的可靠运行。引起水力振动的因素很多：尾水管内漩涡引起的、卡门涡列诱发的、流态不良的固定导叶出水边水流引起的、转轮密封处的自激引起的、空蚀引起的等等。监测和诊断水力振动的内容为蜗壳进口压力、尾水管压力脉动、上下迷宫环脉动和导叶前后脉动等。具体如下： 1.1.1 引起水轮机机导叶和叶片振动的卡门涡列
(1)形成原因：由于脱流引起的。卡门涡列的形成与流体速度和绕体尾部的断面形状和尺寸有关，所以其振动。(2)振动特点：其振动频率可表示为：f=S1xW1/d式中：W1为转轮叶片出水口处的水流相对速度；S1为流体力学中的斯特罗哈数d为转轮叶片出水边厚度。 1.1.2 尾水管低频涡带
(1)形成原因：水轮机转轮出口水流有一定的圆周分速度。在部分负荷时，在尾水管中形成低频涡带脉动，脉动压力传至各过流部件和结构物，导致各种振动及摆动，有时与管道中水体形成共振或倍频共振等。(2)振动特点：振动强弱与水轮机的运行工况关系较密切，一般产生在导水叶相对开度为35%～60%范围内(或机组出力为额定出力25%～50%)。其振动频一般为：f = ( 1/4～1/3 )f0;式中f0---机组转速频率。 1.1.3 水轮机水封间隙不等产生的水力不平衡
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
(1)形成原因：水轮机因不当的止漏环结构型式和间隙组合，导致运行间隙不均匀产生水压力脉动而诱发的振动。(2)振动特点：随机组过流量和负荷的增加压力脉动及振动摆度幅值均明显增大。
1.1.4 导水叶、转轮和蜗壳中的水流不均引起的振动
(1)形成原因：旋涡因水轮机进水流道、导叶、蜗壳中不均匀的流场产生，进而形成引起机组振动的作用在转轮上的涡流。(2)振动特点：振动随机组运行工况变化而变化，且时而明显，时而消失。导叶后的不均匀水流直接影响到转轮。 1.1.5 压力管道中水力振动
(1)形成原因：水轮机过流部件的水流脉动，有可能与管道中水体自振频率发生共振或倍频共振。(2)振动特点：管道中水体振动荷载传给水轮机，使机组产生或加剧振动。 1.2 机械振动
振动故障是水电机组最主要也是最常见的故障，而机械振动又尤为突出。机械振动产生的原因有：机组转动部分质量不平衡、转轮等旋转部件与固定件发生摩擦、密封不良。对机械振动的监测与诊断内容主要有导轴承及转子轴系、机组固定部件、推力轴承。 具体如下： 1.2.1 大轴弯曲
(1)形成原因：在法兰处对接不好，大轴有折线。若导轴承影响大轴自由旋转，迫使大轴弯曲，而将此弹性力传给导轴承和支承结构，从而引起机组振动。(2)振动特点：主要特征是机组在空载低转速运行时，有较明显振动。 1.2.2 发电机转子和水轮机转轮质量不平衡
(1)形成原因：二者均将产生与大轴垂直的径向离心力。平衡所引起的离心力容易扩大定子和转子间隙的不均匀程度，还有转动部分质量不平衡而引起的振动。(2)振动特点：其特征是振幅一般与转速的二次方成正比，振幅随机组的转速变化较敏感，且水平振动较大。 1.2.3 机组固定部件和转动部件之间的摩擦
(1)形成原因：当机组固定部件与转动部件不同心，转轮上水流不对称，或局部有缺陷时，运行中会产生摩擦，从而导致转轮周期地推向一侧，出现摩擦扰动。(2)振动特点：强烈的振动，同时会伴有撞击声响。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
1.3 电磁振动
电磁振动通常是由励磁绕组匝间短路、发电机转子不圆、定子和转子磁场轴心不重合、定子和转子旋转时产生不平衡磁拉力及定子和转子间间隙不均匀等原因引起的。对电磁振动的监测与诊断内容主要有发电机定转子整体温度和气隙、定子极频振动和转子质量不平衡等。另外，机组的振动还受电气、噪音等因素的影响。 2、水力发电机组振动故障诊断的主要方法
目前,在水力发电机组振动故障诊断中得以研究和应用的主要有故障树故障诊断方法、人工智能诊断方法、小波分析等方法。本文就以上主要诊断方法进行研究比较。 2.1 故障树诊断技术
寻找引起顶事件（最容易发生的故障状态）的直接原因,并以特定的逻辑符号将其逻辑关系表示出来，逐级分解，直到不能分解的底事件，这就是故障树。在系统中寻找出薄弱环节，采取针对性的改进措施。故障树分析是现有故障诊断技术中最基本、最有效的手段，是故障诊断系统的基础。故障树诊断法做为一种传统的诊断方法，在水电机组振动故障诊断中的应用取得了一些成果。
2.2 计算机专家系统诊断法
专家系统是一个程序系统，具有大量的专门知识与经验。它应用计算机技术和人工智能技术,根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验,进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。 2.3 神经网络诊断技术
神经网络诊断技术以故障特征信号作为输入,诊断结果作为输出。首先对神经网络对照已有的诊断结果及故障征兆进行离线训练,使其通过权值记忆诊断结果与故障征兆之间的对应关系;然后把记忆获得的故障征兆加到神经网络的输入端,就可以利用训练后的神经网络进行故障诊断,并得到相应的诊断结果。实验结果表明此系统的诊断结果准确可靠,具有良好的实用价值。
2.4 小波分析
小波分析故障诊断法是先把信号分解为多级小波,得到各子带数据。通过检测小波变换系数模极大值来打到检测信号奇异性的目的，从而对故障发生的时间加以确定。小波分析适用于平稳信号和非平稳信号。对分析信号的奇异性大小和奇异性的位置都效果显著。因此小波分析是水电机组故障诊断的较新的分析方法。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
3、结语
水电机组振动故障诊断是一个多阶段、多层次的复杂过程,不同阶段用到的知识内容、表达形式及解决问题的思维方式都不尽相同。一个完整的故障诊断过程中，往往需要多种形式的知识表示和推理模式，及合理的控制机构，解决诊断问题。单故障诊断技术既有优点也存在缺点，不能满足复杂系统的诊断的要求。因此，合理的把多故障诊断技术结合起来，发挥各自优势，形成一个全面的故障诊断技术，将极大的推动水电机组振动故障诊断技术的发展。 参考文献
[1]汽轮发电机组振动及事故.中国电力出版社,2008.
