水力机组故障测试与诊断

水力机组故障测试与诊断

摘要：在理论学习的基础上，基本掌握水力机组测试测试原理，机组振动原因、振动分析、机械振动分析；机组故障故障诊断内容、方法等。分析了当前大型水电机组行状况及其故障原因，并结合电网和水电厂的运行实际，建立相关大型水电机组运行稳定性状态监测及故障诊断系统，为机组稳定分析诊断提供了有效、可靠的依据。

关键词：水电机组故障诊断稳定性相关措施

引言：随着工业生产与科学技术的发展，机电设备越来越精密复杂，自动化水平也相应提高，机组设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也将给人们的生活与生命造成极大威胁。因此，保证大型水电机组的正常安全运行，对其运行状态进行检测，及时发现故障征兆，做到“事前检修”防患于未然是工程界梦寐以求的理想，也是大型电站机组检修的发展方向。

水轮发电机组工作稳定性是其工作性能中的一项重要指标，而存在的稳定性问题又表现为不同形式的振动。因此，对振动的分析就成为研究机组稳定性的重要内客。对那些事关国民经济命脉的基础行业的大型机电设备保证大型水电机组的正常安全运行，对其运行状态进行检测，及时发现故障征兆，做到“事前检修”防患于未然是工程界梦寐以求的理想，也是大型电站机组检修的发展方向。

一、机组故障的概况

故障机理研究、预测及分析技术

故障机理研究是对机械设备进行故障诊断的基础。深入研究机械设备在运动时的动力学特性及各部件之间的相互关系，研究设备正常运行时和发生故障后产生的各种症状与可能性，是对机械设备进行状态监测和故障诊断的前提。理论研究主要有与机械设备相关的振动理论、摩擦理论、空气动力学理论、材料失效理论等。

故障预测是设备诊断的重要任务之一。通过对整个设备的状态变化趋势和维修状况进行分析，计算其残余寿命，可有效确定设备的整个服役寿命和报废时间，为系统的维修、报废和改进设计奠定基础。

预测与分析的策略和方法主要有:基于状态模型的故障预测方法、基于过程的长期预测方法以及集成故障预测系统等。

诊断决策技术

通过对故障进行诊断，可以判明故障的部位，分析故障的原因，提出排除故障的方法，从而可以提高设备维修的可适性和设备完好性，减少设备的金寿命周期费用。

国内外经过多年的发展，提出了模式识别、神经网络、专家系统等诸多诊断决策方法，特别是建立了大量的专用故障诊断专家系统。

电站机组运行设备故障诊断的难题:

水轮发电机组的振动与一股动力机械的振动有较大的差异，引起和影响水轮发电机组振动的原因和因素要比一股动力机械多且复杂，不仅组成系统整体的各部分相互有影响，而且引起机组振动的诸因素间又有相互影响。

二、水轮发电机组振动故障的特点

切机器在运行中，都不可避免地存在着不同程度的振动。和其他动力机械一样，水轮发电机组在运行中，也同样存在着一定程度的振动。但是，由于水轮发电机组工作的特殊性，其振动故障与一般动力机械相比，有较大的差异，具有复杂性、耦联性及故障和特征的非一一对应性。

（一）水轮发电机组振动的复杂性

主要表现在：

1.往往几种振源同时存在，要分清主次及其相互关系很难；

2.既有个别部件或部位振动，又有各部件和部位的耦联振动；

3.既有一般的迫振和共振，又有倍频和自激振动；

4.激振力种类多，各种激振力的组合随机组运行工况(变速无励磁、空载励磁、带负荷、调相等)不同而异。

（二）水轮发电机组振动的耦联性

耦联性表现在不仅组成系统整体的各部分相互影响，而且引起机组振动的诸因素间又有相互影响和制约。如水压力脉动引起的机组轴系的竖向振动，将导致转子轮缘磁轭及磁极的振动，致使发电机转子和定子间的空气间隙不均匀，由此便产生了不对称磁拉力，反过来又会加剧或阻尼机组转动部分的振动。

因此，对于水轮发电机组的振动，除需要考虑机组本身旋转部分或固定部分的振动外，尚需考虑流动液体的动水压力造成的电站引水系统、水轮机过流部件的影响及发电机电磁力对机组振动的影响。

（三）水轮发电机组振动故障和特征的非一一对应性

水轮发电机组振动的故障特征往往有多方而的反映，不同的故障其特征存在着显著的交叉，故障和特征之间并不是一一对应的关系，而且一种故障在特征上有多方面的反映。同时，某一部位的超常振动可能是几种故障的叠加，而某一故障引起的振动也会在几个部位不同程度的反映出来。

水轮发电机组振动的这些特点，综合表现在机组上，便使得人们难以用准确的语言对其振动程度与存在与否进行描述，这无疑给故障分析带来一定困难，这也是水轮发电机组故障诊断技术发展缓慢的一个原因。

三、水轮发电机组振动机理

虽然水轮发电机组的振动具有复杂性和耦联性，但当分析其振动原因时，若完全按其耦合关系来研究，是非常困难的。很难建立可用来进行分析计算的数学模型，即使是在试验中同时考虑这些因索的互相影响也不容易得出结论。因此，我们还是从引发其振动的三个主要因素入手，通过研究其振动机理从中提取有助于解决问题的信息。

水力因素

机械因素

机械缺陷引起的振动的共同特点是其振动频率多为转频或转频的倍数，不平衡力一般为

电气因素

机组的电磁振动有两种：转频振动和极频振动。转频振动频率为转频或转频的整数倍，即：f转 = kn/60

极频振动频率为：

f极 = 3000k/60 = 50k ( k = 1、2、3……)

1、转频振动

大直径水轮发电机组主要振源之一是由于定子内腔和转子外圆间气隙不均匀，在定子和转子间产生不均衡磁拉力，从而对转子和定子形成转频激扰力。

定子和转子气隙不均的原因有：

1）、转子外圆不圆，有的磁极突出；

2)、定子内腔和转子外缘均为圆形，但转子、定子非同心；

3）、转子动、静不平衡；

4）、转子各磁极电气参数相差较大或局部间短路。

转频振动特征是振动随励磁电流增大而增大，且上机架处振动较为明显。

2、极频振动

这种振动随定子电流增大而增大，振幅与电流呈线性关系，且上机架处振动较为明显。

四、振动监测及测点的选择与布置

表征水力机组稳定性运行的参数有振动、摆度及压力脉动，因此这三项是振动监测的主要内容。测点的选择与布置是获取机组运行状态信号的重要环节，直接影响到采集到的信号的真实性、监测系统对机组运行状态评估的准确性和诊断系统诊断结果的可靠性。

竖轴水力机组轴向和径向振动一般分别称为垂直和水平振动。其监测点位置主要有：1）承重机架的垂直、水平振动(包括机组上、下机架和推力轴承支架的振动)；

2）上、下导轴承水平振动；

3）水导轴承水平、垂直振动；

4）顶盖(或支持盖)垂直振动；

5）发电机定子外壳水平、垂直振动；

6）根据需要测量某些部位如钢管、伸缩节进水阀壳或支架基础等的垂直、水平振动。

压力脉动

即压力随时间变化的量值与其平均值相比，时大时小交替变化的现象。对于水力发电机组来说，主要是过流部件的水压力变化现象。

机组运行中压力脉动监测位置主要有：

1）机组高压侧，如蜗壳、钢管或其他部件压力脉动；

2）尾水管锥管段压力脉动；

3）泄水锥压力脉动；

4）与转轮上冠相对的顶盖内表面、转轮与导叶之问的空间等。

五、水力稳定性有关的因素

（一）额定水头Hr与水力稳定性的关系

从水力稳定性出发，选择额定水头的技术方案有三：

方案一、选择较高的额定水头，使Hmax / Hr ≤ 1.15，机组尺寸较小，台数增加，能满足汛期多发电、枯水期效率高的要求，但投资较大。

方案二、选择较低的额定水头，使Hmax / Hr ≥ 1.35，机组台数减少，水轮机尺寸增大，能满足汛期多发电的要求；但发电机需设最大容量，以增加高水头工况的水力稳定性和负荷调节范围。

方案三、折衷选择额定水头，使Hmax / Hr = 1.15~1.35，水轮机直径，台数基本和方案二一样，发电机仍需设最大容量。水力稳定性较方案二有改善，但汛期电能较方案二减少。

(二) 机组尺寸大小与运行稳定性

机组尺寸增大，单机容量增加，在电站总装机容量不变时可减少装机台数，对枢纽布置和减少工程费用有利。但随着尺寸增大到某种程度，机组部件的相对刚度通常会降低，对安全稳定运行不利。

通常，在正常工况下，转轮叶片出水边靠上冠处的静、动态应力最大，遇到水力共振和过大的低频压力脉动时容易出现裂纹

(三) 尾水管高度与运行稳定性

尾水管高度是水轮机设计重要的决策数据，通常尾水管高度高些，长度长些对水轮机的综合