某發(fā)電機故障診斷案例
1 概述 某風電場若干機組中的一組在調試階段發(fā)現(xiàn)振動幅度較大，運行一段時間后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機冷卻器螺栓發(fā)生多次斷裂，更換發(fā)電機軸承后問題也沒有明顯改善。
本次測試通過對該風機傳動鏈及發(fā)電機的測試，評估和分析該風機故障原因。
2 振動測試及評價標準
VDI 3834風力發(fā)電機組傳動鏈的振動測試規(guī)范，國內各大風機廠家采用比較多，因此，該測試也參考VDI 3834振動規(guī)范進行測試、評價。
VDI 3834中，對振動加速度測點及數(shù)據(jù)采集時間、分析頻率都做了相關的要求。
（1）數(shù)據(jù)采集時間長度：對主軸及齒輪箱輸入端等低頻振動加速度信號，采樣時間為不少于10 min；齒輪箱輸出端及電機輸入端等中高頻振動加速度信號，采樣時間不少于1min。
（2）測點分析頻率：對主軸及齒輪箱輸入端等低頻振動加速度信號，分析頻率為0.1Hz10Hz；齒輪箱輸出端，分析頻率為10Hz2000Hz；發(fā)電機輸入端，振動分析頻率為：10Hz~5000Hz。
（3）傳感器布置位置：主要布置在各個關心轉動部件的軸承支座上。
（4）各個測點的振動加速度限值，如下圖所示；同時對各個限值的定義分別作了相關的解釋，如下圖所示。
圖1 VDI 3834 振動加速度頻率范圍及限值區(qū)域Ⅰ：評估參數(shù)位于此區(qū)域的風力發(fā)電機及其組件，被視為適合在其振動載荷下連續(xù)運行。
區(qū)域Ⅱ：振動位于此區(qū)域的風力發(fā)電機組及其組件，通常被視為不適合持久地連續(xù)運行。建議檢查哪一處激勵對此負責，考慮到其設計和運行條件，檢查測得的值是否允許無限制的連續(xù)運行。
區(qū)域Ⅲ：位于此區(qū)域的振動一般被視為危險，它會對風力發(fā)電機及其組件產生損壞。
用作驗收值的劃歸區(qū)域界限的數(shù)值沒有被規(guī)定，這必須要取得風機及其組件制造商和操作人員的一致同意。區(qū)域值給出了排除重大誤差和不現(xiàn)實要求的指示。在某些情況下，不同的機組有專門的屬性，需要不同的區(qū)域限值，更高或更低。通常，制造商必須對此說明理由，尤其是要確認風力發(fā)電機及其組件在更高的振動值運行時沒有危險。
3 現(xiàn)場試驗設備
（1）本次試驗主要采用東方所開發(fā)的DASP智能信號采集處理分析系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見下圖，該系統(tǒng)內置16GB存儲空間，可實現(xiàn)離線觸發(fā)采集數(shù)據(jù)及無線遠程控制等自動化數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)了無人值守測試，是一款專門為風場振動測試提供便捷功能而設計的采集儀，能較好滿足VDI 3834測試規(guī)范對風機的振動測試要求。
測試儀器系統(tǒng)框圖如下：
圖2 DASP 振動測試系統(tǒng)連接示意圖4 振動測點布置方案
4.1 整機測試測點
為了分析排查故障原因，首先對整個振動鏈各個關鍵點的軸向、水平方向或垂直方向布置了振動加速度傳感器，進行整機評估測試，各個測點進行并行同步數(shù)據(jù)采集。
圖3 部分測點
4.2 專項測試測點
由于現(xiàn)場人員反饋，發(fā)電機冷卻器螺栓多次斷裂，該處的振動應重點關注。因此，在發(fā)電機、冷卻器和后底架的軸向、水平向和垂直向上分別布置測點，對比三者的振動情況。
圖4 部分測點5 測試分析
5.1 整機測試分析
按照VDI3834標準對各通道數(shù)據(jù)進行濾波處理后，對各通道數(shù)據(jù)進行時域統(tǒng)計分析。下圖為發(fā)電機轉速為1750rpm工況下的整機振動有效值，結果表明整機各點振動值均不超限。
圖5 整機測點有效值統(tǒng)計
通過頻域分析結果可知沒有明顯的齒輪、軸承故障跡象。
圖6 整機測點頻域分析
但在分析時發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機非驅動端Y向在1675rpm時振動有放大跡象。
圖7 發(fā)電機非驅動端時域分析
從測試數(shù)據(jù)中選取不同轉速下的測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計發(fā)電機上各測點轉頻的能量值，如下圖：
圖8 發(fā)電機轉頻能量值統(tǒng)計
圖9 不同轉速發(fā)電機轉頻能量對比
通過統(tǒng)計對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在不同轉速下，發(fā)電機垂直方向對轉速較為敏感，1100rpm之后隨著轉速提高，垂直方向振動越小。
5.2 專項測試分析
(1)停機過程測試
風機停機過程中，發(fā)電機轉速區(qū)間為1480-0rpm。從時域分析結果可以發(fā)現(xiàn)在11s處（1435rpm）發(fā)電機非驅動端Y向出現(xiàn)短暫振動放大現(xiàn)象。而發(fā)電機驅動端Z向在轉速為1150rpm時出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象，類似穿過共振區(qū)的現(xiàn)象。由于風況原因，只有一組風機停機過程的測試數(shù)據(jù)。
圖10 停機過程時域分析
（2）啟機過程測試
風機啟機過程中，發(fā)電機轉速區(qū)間為0-1100rpm。由于風況原因，風機轉速無法繼續(xù)提升。
圖11 啟機過程時域分析
（3）停機工況測試
風機停機工況下，測得塔筒一階彎曲固有頻率。
圖12 塔筒固有頻率
（4）發(fā)電機測試
由于現(xiàn)場人員反饋，發(fā)電機冷卻器螺栓多次斷裂，該處的振動應重點關注。因此，分別在發(fā)電機、冷卻器和后底架的三個方向上布置測點，對比三者的振動情況。由于風況原因，只有轉速為1100rpm的測試數(shù)據(jù)。
由時域分析結果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機減振支持減振性能良好。發(fā)電機水平方向剛度較低，因此振動相對較大。
圖13 時域分析對比
由時域分析結果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機0-2.5kHz的振動頻率傳到了上方的散熱器。而后底架上幾乎沒有高頻成分。
圖14 頻域分析對比
圖15 發(fā)電機轉頻能量對比
將頻域橫軸放大，分析該工況下發(fā)電機轉頻在各測點的能量對比可以發(fā)現(xiàn)，散熱器在X方向上振動放大，X方向垂直于螺栓軸線方向，因此長時間振動會導致螺栓受剪切力后斷裂。
圖16 發(fā)電機轉頻能量對比
6 結論與建議
（1） 按照VDI3834標準評估整機振動不超限；
（2） 在不同轉速下，發(fā)電機垂直方向對轉速較為敏感，1100rpm之后隨著轉速提高，垂直方向振動越小；
（3） 發(fā)電機驅動端垂直向在轉速為1150rpm時出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象，類似穿過共振區(qū)的現(xiàn)象，疑似轉頻與發(fā)電機某階固有頻率接近。
建議：
（1） 發(fā)電機做模態(tài)測試，確定發(fā)電機模態(tài)參數(shù)，以確定發(fā)電機驅動端振動量大是否是由于共振原因導致；
（2） 進行大風風況數(shù)據(jù)采集，完善高轉速區(qū)間分析，以判斷高轉速工況下是否存在振動量超標現(xiàn)象；
（3） 對發(fā)電機驅動端振動情況進行在線監(jiān)測，持續(xù)關注該風機發(fā)電機的振動趨勢，避免事故發(fā)生；
（4） 通過優(yōu)化發(fā)電機減振支持參數(shù)和優(yōu)化后底架結構的方式提高發(fā)電機支撐剛度，以減小發(fā)電機振動幅度。