CN105890855B - 一种水轮发电机内部故障诊断定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轴心轨迹诊断因受碰撞力而故障的水轮发电机并确定故障点方位的方法。将摆度传感器采集的数据进行小波消噪处理，过滤掉高频和谐波信号等噪声信号，再进行小波重构，然后再绘制轴心轨迹。轴心轨迹凹陷所指方位即位移激励引起的碰撞故障点所在方位。本发明实现了在机组不需要停机的情况下诊断机组内部故障，为实现水电站状态检修做好了技术储备。
Description
技术领域
本发明涉及水轮发电机，更具体地，涉及一种基于轴心轨迹诊断因受碰撞力而故障的水轮发电机并确定故障点方位的方法。
背景技术
目前我国水电厂的设备检修基本上采用计划性检修。计划检修即在枯水期按年前制定的计划进行检修。计划检修存在以下缺点：1、无法实时掌握机组健康状况，机组运行时机械部分发生故障初期不易被察觉。2、存在过修、欠修、临时扩大维修范围。运行良好的部件被过修；损坏部件未被发现而欠修；机组停机小修过程中才发现重要故障而被迫转为大修，因人力和资源准备不充分而大大增加维修费用。
虽然状态检修已在水电领域推行多年，但是没有水电厂实现真正意义上的状态检修。实现状态检修主要从管理和技术两方面入手。管理方面主要采用提高设备质量、提升科学管理的方法、建立状态检修规则制度、采用先进在线监测设备等等，几年的实践结果表明管理方面的措施收效甚微。状态检修在技术方面也无实质性突破。
全国大部分水电厂拥有状态监测装置，而对状态监测的使用也仅仅局限于单个传感器所测的振动或者摆度是否合格。轴心轨迹图则是能体现旋转机械的障的征兆图形。国外在1957年前就开始研究轴心轨迹图，应用在航空领域并取得了成功。我国的旋转机械故障研究起步较晚，且目前水电行业的轴心轨迹仍处于理论研究阶段，并未在水轮发电机故障诊断领域应用。
发明内容：针对水轮发电机发生碰撞故障时轴心轨迹特征以及还未有相关技术对此进行解决这一现状，本发明的目的是提供一种基于小波降噪，再利用提纯后的轴心轨迹图形特征辨别运行水轮发电机组碰撞点具体方位的方法。如说明书附件图1所示，本发明是这样实现的：（如下）
A、将水轮发电机摆度传感器采集的+X、+Y数据进行小波消噪处理，过滤掉高频和谐波信号等噪声信号，再进行小波重构。
B、 将小波重构后的+X、+Y数据绘制轴心轨迹图。
C、 检查轴心轨迹呈现的“月牙“形或“8”字形 凹陷部分固定指向一个方位，延时1个旋转周期，再次检查“月牙“形或“8”字形 凹陷部分是否固定指向同一个方位。
D、根据以上特性，判定水轮发电机故障是位移激励引起的碰撞故障。
F、轴心轨迹凹陷所指方位即位移激励引起的碰撞故障点所在方位。
通过建立水轮发电机数学模型，构建微分运动方程，并进行数学仿真，从理论上证明了以上结果的可靠性；同时经过实际工程的验证，也证明了以上结果的正确性。从而实现了在机组运行时就能判断机组是否存在碰撞故障并确定故障方位。
有益效果：该发明是在水电领域传统振动技术上的完善和革新，是计算机、故障旋转机械非线性动力学理论的发展发展及其在水电站故障旋转机械的成功应用，是由技术特征产生的必然的技术效果。在全国水电厂首创性得利用该发明在机组运行时找到存在的故障点和方位，采取积极有效的措施控制故障的扩大，为合理安排检修期人力和物资提供了可靠依据。该发明可以在水电行业推行，助力全国水电站由计划性检修迈向状态检修。
附图说明：
图1:是小波降噪过程模型
图2是局部碰摩模型
图3是理想状态下无故障的轴心轨迹图
图4是受到-X方向碰撞力的轴心轨迹图
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面将详细描述本发明的具体实施方式。
首先将传感器采集的+X、+Y振动数据进行小波降噪。小波降噪主要分三步（图1）：1）、分解：采用Morlet小波，利用matlab对含有噪声信号的原始信号进行小波包分解。2）、对分解的各层系数选择一个阈值，通过第一层细节系数估算信号的噪声强度a ，采用缺省的阈值并使用硬阈值对系数进行处理，按照公式（1）算出阈值，也可通过“ddencmp”计算出公式（1）的结果。3）将处理后的小波包重构到+X、+Y振动数据原始信号。
QUOTE （1）
其中，n是信号长度。
以降噪后的+X振动数据为横坐标，以降噪后的+Y振动数据为纵坐标绘制点轨迹，该轨迹即轴心轨迹图。旋转机械的故障的种类繁多，形式各异。除了单一故障之外，还出现各种类型的耦合故障，每种故障都有其特有的故障特性。水电站的立轴发电机不同于火电厂的卧式发电机，可忽略重力的影响。图2是简化的碰摩转子（或水轮机）系统，只要收到油膜力、偏心力（质量不均造成）、轴承与轴套的碰摩力。根据牛顿第二定律建立运动微分方程组：
QUOTE (2)
式（2）中m是不平衡量质量， QUOTE 是偏心距， QUOTE 为转速，c为轴承径向间隙， QUOTE 润滑油粘度，R为轴承半径， QUOTE 为轴承宽度，x、y是轴心坐标， QUOTE 、 QUOTE 是位移激励引起的碰摩力。通过仿真发现：在-Y方向上加碰摩力，轴心轨迹的凹陷部分指向-Y方向；在+Y方向上加碰摩力，轴心轨迹的凹陷部分指向+Y方向。在任意方向加碰摩力，轴心轨迹的凹陷部分均会指向该方向，延时一个旋转周期后，轴心轨迹的凹陷部分仍然指向该方向，就可以确定位移激励引起的碰摩力的方位。在实际旋转机械运行中，运用该方法也能确定位移激励引起的碰摩力的方位。
需要说明的是：
转子（水轮机）系统的故障主要是由电磁拉力、机械因素、水力因素等引起，形式多样。本发明主要是针对位移激励引起的碰摩力导致的故障，也可找出其他故障方位。对运行旋转机械无影响，不需要停机检查就能找到故障。
Claims (1)
1.一种水轮发电机内部故障诊断定位的方法，其特征在于包括如下步骤：
A、水轮发电机摆度传感器采集的+X、+Y数据；
B、对所述水轮发电机摆度传感器采集的+X、+Y数据进行小波消噪处理，采用Morlet小波对含有噪声信号的原始信号进行小波包分解，采用缺省的阈值并使用硬阈值对系数进行处理，将处理后的小波包重构恢复原始信号；
C、以降噪后的+X振动数据为横坐标，以降噪后的+Y振动数据为纵坐标绘制点轨迹，该轨迹即轴心轨迹图；
D、确定提纯轴心轨迹图形特征，其中：当所述轴心轨迹为“月牙” 形或“8”字形时，则进一步确定轴心轨迹时间特征，当所述“月牙” 形或“8”字形的轴心轨迹的凹陷部分指向不随时间变化时，再进一步确定所述轴心轨迹方位特征，当所述“月牙” 形或“8”字形的轴心轨迹的凹陷部分始终指向固定方位时，则判断机组发生了因位移激励而发生的轴系碰摩故障，且所述“月牙” 形或“8”字形的轴心轨迹的凹陷部分始终指向的方位为故障点位置。
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