基于离线振动数据分析的风电机组故障诊断

内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司 张凯 李忠善 王志东

内蒙古华电二连浩特新能源有限公司 肖盛忠

华电电力科学研究院 孔德同

1 前言

风电机组工作在变速变载恶劣工况下，导致主传动系统故障率居高不下。振动分析作为风电机组常用的检测手段，具备较好的通用性。然而，由于风电机组主传动系统结构复杂，尤其是齿轮箱，一般为多级传动，传动比达到100左右，内部的多对齿轮啮合导致信号相互耦合，因此，在利用振动数据分析主传动系统劣化趋势时，需要进行详细的分析及诊断。

2 测试背景及方案

内蒙某风场98号风机于2016年10月份出现异常振动。更换轴承之后9天，机组振动更加强烈。针对该机组出现的问题，现场采集该风电场26、30、65、93和98共5台风力发电机组的振动信号，并对振动信号进行分析以诊断98号机组故障。

图1 华锐SL82-1500kW风力发电机组传动系统简图

该机组型号为华锐SL82-1500，主传动系统由叶片、齿轮箱、发电机等组成。机组机械传动系统结构简图如图1所示。齿轮箱、发电机参数信息如表1所示。

表1 齿轮箱发电机参数

测试方案如下：

1）针对测试对象发电机进行测试。采集发电机驱动端轴承振动信号和自由端轴承振动直信号，同步采集。

2）针对测试对象齿轮箱进行测试。采集齿轮箱输出轴振动信号和齿轮箱内齿圈振动信号，同步采集。

3）针对测试对象齿轮箱进行测试。采集齿轮箱中间轴振动信号和齿轮箱内齿圈振动信号，同步采集。

4）为综合评估发电机振动与齿轮箱振动的相互传递，针对齿轮箱和发电机进行联合测试。采集齿轮箱输出轴振动信号和发电机驱动端轴承振动信号，同步采集。

5）针对主轴轴承和齿轮箱进行联合测试。采集主轴轴承振动信号和齿轮箱内齿圈振动信号。

3 数据分析

为了全面评估风电机组的机械部件运行状态，利用时域分析、频域分析、时频分析、综合分析等方法，多角度评估风电机组运行状态。

3.1 时域分析

时域分析是机械故障诊断的常用方法。通过正常和故障信号的振动幅值对比，可以大体了解机械设备的故障严重程度。选取5个机组发电机驱动端轴承垂直振动信号进行对比，结果如图2所示。

图2 发电机驱动端轴承垂直振动信号对比结果

从时域信号可以看出，98号风机振动最大幅值高达50g，明显高于其他4台风机。现场采集时98号风机振感强烈，振动噪声较大。由振动强度整体分析，初步判断98号风机异常。

发电机故障通常包括电气故障及机械故障。由于此次对98号风机测试时并未并网，发电机空转，因此，排除98号风机发电机谐波共振等电气故障，初步确定98号风机故障为机械故障。

为进一步分析98号风机振动严重原因，对98号风机不同测点的振动信号进行对比，以确定机组故障位置和各部件振动信号之间的相互关系。选取齿轮箱输出轴和发电机驱动端轴承联测振动信号进行对比，比较结果如图3所示。

图3 98号齿轮箱和发电机联测信号对比

其中，通道1为齿轮箱输出轴垂直振动信号，通道2为齿轮箱输出轴轴向振动信号，通道3为发电机驱动端轴承垂直振动信号，通道4为发电机驱动端轴承轴向振动信号。

从对比结果可以看出，齿轮箱输出端垂直和轴向振动信号最大幅值仅为发电机驱动端垂直和轴向振动信号最大幅值的1/10左右。因此可以确定：

1）98号机组振动噪声主要来源为发电机振动。

2）齿轮箱和发电机之间振动信号相互影响较小。

通过以上分析，可以大体确定98号机组故障源为发电机。因此下面着重对发电机驱动端轴承垂直振动信号进行分析（图2通道3信号），以确定故障产生原因。

3.2 频域分析

频谱是信号在频域的重要特征，它反映了信号的频率成分以及分布情况。频域分析是用来处理平稳信号的常用方法。通过傅里叶变换，将时域振动信号在频域上进行刻画，可以更直观地展现振动信号中的周期性成分。

首先对全时段振动信号进行傅里叶变换得到其频谱如图4所示。

图4 全时段频谱 ：(a)0-10000赫兹和(b) 0-1000 赫兹。

由于整个时段转速的变化，原始振动信号呈现非平稳特点，即变转速情况下振动信号为非平稳信号，导致频谱中频率成分“拖拉”现象严重，几乎看不到单一、稳定地频率成分。传统的傅里叶变换方法在对该组数据分析中失效。针对该组信号的非平稳特性，下面采用时频分析方法，从时域和频域同时对信号进行观察，以全面了解信号特性。

3.3 时频分析

对于非平稳机电设备的振动信号分析，必须采用既能够反映时域特性又能够反映频域特性的方法，才能提供信号的特性全貌。短时傅里叶变换用一个在时间上可滑移的时窗来进行傅里叶变换，从而实现了同时在时间域和频率域上对信号的局部特性进行描述。

采用短时傅里叶变换对98号机组发电机驱动端垂直振动信号1～200秒内的数据段进行分析，结果如图7所示。其中纵坐标代表频率，横坐标为时间，白色条纹亮度为对应频率的振幅（能量）。因此，时频分析可将信号在时间、频率、幅值进行三维刻画，克服单一的时域分析及频域分析的缺点。

图5 98号机组短时傅里叶变换结果

由图5可以看出，时频图中存在明显的谐波分量（如等间隔的白色条纹）。对各谐波分量进行跟踪，可大体得到发电机的转速变化过程：从数据采集时刻0开始，发电机转速缓慢增加，到90秒左右，转速增加速度加快，在105秒左右升高到一定值保持一段时间不变，130秒左右突然下降然后上升，165秒之后迅速下降直至停机。为了与正常机组时频图结果比较，现选取正常机组65号作为比较对象，65机组短时傅里叶变换结果如图6所示。

图6 65号机组短时傅里叶变换结果

对两个机组短时傅里叶变换结果进行对比分析可以得到以下有用信息：

可大体得知发电机转速波动情况，这为下一步的近似平稳信号时间段的选择提供了依据。

98号故障机组时频图中能量主要集中在高阶谐波分量上，转频并不是很明显，65号正常机组时频图中能量主要集中的转频及其低阶谐波上。

98号故障机组随着转速的升高，能量逐渐向更高阶谐波分量移动，而65号正常机组在高转速下能量依然集中在200赫兹以下的谐波分量上，高频区域能量很小。

在98号机组中，350赫兹和530赫兹左右存在两条明显的高亮频带，猜测原因可能是这两条频带为电机系统的共振频带，由于电机的振动激发起了整个系统的共振。

3.4 综合分析

为了更直观地展现振动信号的频率成分，通过观察时频图（图5），由于98号机组108～110秒时间段的时频图振动能量较大，且转速相对平稳，因此，选取108～110秒时间段数据进行分析。其时域波形和频谱如图7所示。从时域波形可以看出，振动信号中存在明显的周期性成分，周期时间大约为0.063秒，对应频率为15.8赫兹，与此时转频接近。频谱中出现79赫兹、158.5赫兹、237.5赫兹和317赫兹等明显频率成分，分别为转频的5、10、15和20倍谐波。

图7 98号机组近似平稳信号时域波形和频谱

98号机组原始信号频谱中，400～1000赫兹频带存在大量振动成分，其他机组振动信号在此频带几乎无振动成分。大量高频振动成分初步分析是系统共振频率，初步分析原因为发电机内部故障导致系统共振。

为了分析系统共振原因，对高频共振频率进行分析。采用共振解调技术对原始信号进行处理。

常用的共振解调技术为采用谱峭度对共振频带进行选择，然后对选择的共振频带进行滤波，对滤波后信号采用希尔伯特变换解调出低频调制成分。

共振频带选择结果如图8所示，选择共振频带中心频率为5625赫兹，带宽为1250赫兹。将共振频带信号进行滤波处理得到滤波信号，然后对滤波信号进行包络解调得到解调谱，结果如图9所示。

从图9中可以看出，经滤波处理之后，共振频带的信号冲击成分更加明显，但是冲击成分出现的周期信息不明显。解调谱中可以明显看出16赫兹，79赫兹和158.5赫兹频率成分，分别对应转频、5倍谐波和10倍谐波分量，其中5倍谐波和10倍谐波分量与频谱成分对应。

图8 共振频带选择结果

图9 滤波信号和包络谱

3.5 互相关分析

为进一步分析发电机和齿轮箱振动信号的相互关系，现对齿轮箱输出端垂直信号和发电机驱动端轴承垂直振动信号进行互相关分析。各机组齿轮箱振动与发电机振动的互相关函数如图10所示，互功率谱如图11所示。

正常机组互功率谱中，转频成分相当明显。而98号故障机组只出现了79.25赫兹和158.5赫兹，分别为转频16赫兹的5倍和10倍频，并未出现转频成分，主要原因是由于98号风电机组发电机驱动端振动信号中基频成分调制了共振频带，导致频谱中没有基频成分，进而互功率谱中没有出现转频成分。

4 分析总结及下一步建议

图10 各机组互相关函数

图11 各机组互功率谱

针对98号机组振动异常现象，对机组振动信号进行分析以判定故障产生原因。首先采用时域分析方法通过对比5个机组的振动信号幅值确定98号机组振动幅值明显超标。然后采用传统频域分析方法对全时段信号进行分析，由于全时段信号转速变化的影响，传动频域分析方法无法对该组数据进行有效处理。

因此，采用时频分析方法对振动信号的时频特性进行分析，在此基础上确定测试时机组转速变化的大体规律。截取小段近似平稳信号进行频谱分析和包络谱分析，对比不同转速下的频谱及包络谱，利用互相关分析，最终得到以下结论：

通过对发电机和齿轮箱联测信号进行同时分析，发现齿轮箱振动信号幅值仅为发电机振动信号幅值的1/10左右，因此可以断定发电机振动异常并非齿轮箱振动影响造成，而是电机本身的原因。

98号机组振动信号频谱中不存在明显转频成分，说明发电机的强烈振动并非由于不平衡引起，据此可以排除不平衡故障。

98号机组振动信号频谱中并未出现明显的轴承故障特征频率，因此电机的强振动并非由于轴承故障所致。

98号风机高频振动成分较多且能量较大，初步判断发生系统共振。一般情况下，轴承故障引起机组共振较为常见。然而通过包络分析，未发现轴承故障。此外，98号机组原始信号频谱和包络解调谱中都明显存在转频的5倍频和10倍频，据此推断电机故障可能存在于产生5阶谐波分量的部件上，且故障导致发电机共振，因此发电机整体振动强烈，远远超过其他机组发电机振动信号幅值。

根据以上诊断结果做出如下建议：

由于测试条件为非并网测试，排除98号发电机电气故障原因，初步判断导致98号风机振动偏大原因为机械故障。

以上诊断结果判定98号发电机并不存在不平衡现象，因此发电机无需进行动平衡。

电机强振动噪声产生的根本原因并非轴承故障所致，但是如果长期在强振动条件下工作，很可能引起各零部件故障的连锁反应，导致轴承或是其他零部件故障的发生。通过简单更换轴承等单个零部件达不到根除故障的目的。

发电机振动严重超过正常值原因可能是发电机内部故障引起的系统共振，导致振动强烈。建议会同发电机厂家，就系统振动原因做进一步探讨，必要时应对电机进行返厂维修，以检查发电机内部故障情况。