水电机组状态监测与故障诊断技术研究

水电机组状态监测与故障诊断技术研究

摘要：水电机组作为水电厂的核心设备，其安全、稳定运行直接关系到电站的

安全，甚至影响电网系统的稳定。同时，为了实现智能化水电厂状态检修，机组

的状态监测与故障诊断也是重要的一环。本文概述了水电机组状态监测原理和故

障机理，主要阐述了几种主要的故障诊断技术特点及在水电机组故障诊断中的应

用研究成果，并分析了水电机组振动故障智能诊断技术的发展前景。

关键词：状态监测；故障诊断；专家系统；神经网络；模糊理论

1 概述

水电厂设备检修体制的发展经历了从“事后检修”、“定期检修”到“状态检修”的三个阶段。“事后检修”就是当设备发生故障或者性能下降后再进行修理。这种检修方式往往带来设备的

严重损坏，增加了运行风险，带来了更长的检修时间以及检修费用，现已被“定期检修”所取代。当前我国水电机组的大修、小修普遍采用的是定期检修的方式，即依据固定的检修周期

对设备进行按计划修理的一种检修方式。这样虽然在一定程度上保证了机组的安全运行，但

是带来的问题是本可以再运行一段时间的设备被迫停下来进行检修，增加了检修费用，降低

了经济效益，导致了所谓的“过剩检修”或者其对立面“检修不足”。鉴于上述检修方案的诸多

缺陷，一种能满足在机组不停机状态下及时发现安全隐患，并且能够合理的预测出机组未来

趋势，使得对于机组的检修更有针对性以及准确性的检修方案被随之提出，即“状态检修”。

针对水电机组的状态检修主要分为：状态监测、故障诊断和状态预测三个环节。状态检修的

目的就是为了使水电厂的效益最大化，准确掌握机组当前的运行状态和未来的发展趋势，调

整机组运行工况，延长机组寿命，并能够提出合理的检修计划，使水电站的生产管理更具有

科学性。而作为状态检修中两个重要的组成部分的状态监测和故障诊断系统的实现对于整个

状态检修则有着更加深刻的意义。

2 水电机组状态监测原理

水电机组是水、机、电、油、气组成的复杂大系统，所涉及的知识领域广泛，待监测的

项目繁多，对获取的大量信息的分析管理较为复杂[1]。其运行状态监测的基本原理可归纳为：针对设备不同参数的特征，通过不同形式的传感元件（含传感器和变换器），采集水电机组

运行设备的各种信息，将所采集的信息通过的数据处理单元转换成图表、波形曲线等多种方

式送到数据服务器，以用来为下一步诊断提供数据支持。机组运行设备状态监测原理框图见

图 1。

图1 机组运行设备状态监测原理框图

3 故障机理研究

机组故障机理的研究是进行故障诊断的基础。不管是“事后检修”、“计划检修”还是“状态

检修”，对故障机理的理解都是诊断的基础。所以对于水电机组故障机理的研究从来也没有停止过。根据有关部门的统计，水电机组大约有 80%的故障或事故都在振动信号中有所反映，

水电机组最常见的故障是振动故障，它直接威胁着机组的安全运行。已经有不少讨论故障诊

断的文献对水电机组的故障进行过总结、归纳和分类。在机械、水力和电气三大类故障中，

以下一些是讨论比较多并已经达成共识的[2]。

3.1机械振动

（1）机组转动部分不平衡引起的机组振动。水电机组转动部件不平衡是由于机组制造

厂家制造精度不高或部件材质不匀造成质量不平衡、安装过程平衡调节不到位或者长期运行

后导致安装不平衡。主要特征：机组振幅随机组转速变化较敏感，其振幅一般与转速的二次

方成正比，且水平振动较大，振动信号的特征频率为一倍机组转频。

（2）机组转动部件与固定部件碰摩引发振动。由于装配不良、转子不平衡量过大、轴弯曲、机械松动或零部件缺陷等原因，可能导致动静件之间发生碰摩。主要特征：一般振动较

强烈，并常常伴有撞击声响。

（3）轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动。主要特征为：机组振幅随

机组负荷变化较明显。

（4）机组轴线曲折、紧固零部件松动、机组对中心不准、推力轴承调整不良所引起的机组振动。主要特征：机组在空载低转速运行时，机组便有明显振动。

3.2水力振动

（1）转轮叶片尾部的卡门涡列所诱发的机组振动，卡门涡引发中频或高频压力脉动。卡门涡的形成与流体速度和绕流体尾部的断面形状和尺寸有关，所以特征为：振幅随过机流量

增加而明显增大，频率与导叶或叶片数有关。

（2）因水轮机偏离设计工况较远，尤其在低水头、低负荷运行时，叶片出口圆周分量过大，在尾水管内产生强烈的旋涡流动，即常说的尾水涡带，引发低频压力脉动。振动特点为：振动强弱与水轮机的运行工况关系较密切，某些区域振动强烈，某些区域振动又明显减小，

甚至恢复正常，压力脉动频率一般为1/6~1/3转频。

（3）叶片进口水流冲角过大，导致叶片头部脱流，形成叶道涡和二次回流，引发中频和高频压力脉动。特征：压力脉动的频率为叶片数的整数倍。

（4）高水头混流式水轮机因止漏环结构型式和间隙组合不当及运行间隙不均匀引起水压力脉动诱发的机组振动，该振动特征为：振动摆度及压力脉动幅值，均随机组负荷和过机流

量的增加而明显增大。

3.3电磁振动

（1）周期性的不平衡磁拉力分量，定、转子不均匀空气隙所引起的作用力，转子线圈短路时引起的力和发电机在不对称工况下运行时产生的不平衡力所引发的机组振动，其振动特

征为：振动随励磁电流增大而增大，且上机架处振动较为明显。

（2）发电机定子绕组每极分数槽绕组形成的磁场特殊谐波成分引起的磁拉力，而定子在波数较少的磁拉力作用下就要产生振动，其振动特征为：振动随定子电流增大而增大，幅值

与电流几乎呈线性关系，且上机架处振动为明显。

（3）定子铁芯组合缝松动或定子铁芯松动所引起的机组振动，其特征为：振动随机组转速变化较明显，且当机组带上一定负荷后，其振幅又随时间增长而减小，对因定子铁芯组合

缝松动所引起的振动，还有一特征为：其振动频率一般为电流频率的两倍。

（4）定子绕组固定不良，在较高电气负荷和电磁负荷作用下使绕组及机组产生振动。其振动特点为：振动随转速、负荷运行工况变化而变化，上机架处振动亦较为明显，但不会出

现载上某一负荷后其振动随时间增长而减小的情况。

4 诊断技术研究

水电机组故障诊断过程主要有三个步骤：在线监测信号特征提取；故障识别；信号趋势

预测。故障识别的过程需要选取诊断方法，故障诊断技术经过十几年的迅速发展，到目前为

止已经出现了基于各种不同原理的众多的方法，目前应用于水电机组故障诊断领域的诊断方

法主要有：基于故障树的诊断方法、基于模型的诊断方法、基于专家系统的诊断方法、基于

神经网络的诊断方法、基于模糊理论的诊断方法、基于 CBR（Case Based Reasoning）的诊断

方法等。

4.1基于故障树的诊断方法

故障树分析法是逻辑诊断法中一种成熟的可靠性分析方法，以系统最不希望发生的事件

作为发生的目标（顶事件），找出系统内可能发生的部件失效等因素（各种底事件）与系统

失效之间的逻辑联系，用倒立树状图形表示出来。Karen A Reay等[3]构造了水轮发电机组的

故障树，对故障树进行了定性定量分析，得出了逻辑分析与数量分析的结果，并对故障树的

简化与等效进行了讨论。

4.2基于模型的诊断方法

基于模型的诊断方法（Model-Based Diagnosis）是伴随着人工智能领域发展起来的，研

究的动力来源于希望克服传统专家系统知识获取瓶颈问题。上世纪 70 年代中期到 80 年代中

期为此项研究的开创性时期，随后逐步发展起来的新型诊断技术。它的主要思想是：对于动

态系统，根据系统组成元件间的连接建立起待诊断系统模型（结构模型、功能模型或行为模型），则系统参数或状态的变化可以直接反映设备物理系统或物理过程变化，为故障诊断提

供依据。国内外在水电机组故障诊断领域基于模型的诊断方法研究主要侧重在简化后的轴系

模型响应方面[4-5]。

4.3基于专家系统的诊断方法