胡 勝，郝劍波，羅忠啟，孫 波，孟佐宏，吳曉文，唐 奇

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基于噪聲頻段提取的水輪發(fā)電機(jī)故障診斷方法

胡 勝1，郝劍波1，羅忠啟2，孫 波2，孟佐宏1，吳曉文1，唐 奇3

（1. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007；2. 碗米坡水電廠，湖南 保靖 416500；3. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，長沙 410007）

發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)和噪聲信號(hào)能夠真實(shí)反映其運(yùn)行狀態(tài)信息，而噪聲信號(hào)相比振動(dòng)信號(hào)，能夠不受頻率、帶電狀況和設(shè)備封閉情況等條件限制。本文基于噪聲頻率分段提取的方法識(shí)別出了水輪發(fā)電機(jī)異常噪聲特征頻段為1000～6000Hz，并根據(jù)特征頻段在各種運(yùn)行工況時(shí)的變化規(guī)律，診斷出水輪發(fā)電機(jī)定子存在局部放電點(diǎn)。大修時(shí)的局放試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于噪聲頻段提取法診斷水輪發(fā)電機(jī)放電故障的正確性。

水輪發(fā)電機(jī)；噪聲；頻段；故障診斷；局部放電

0 前言

發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)和噪聲信號(hào)真實(shí)反映了其運(yùn)行狀態(tài)信息，而且在監(jiān)測(cè)時(shí)能夠不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。通過對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行幅值、時(shí)域、頻域等分析，能實(shí)時(shí)判斷出發(fā)電機(jī)組是否運(yùn)行異常以及相應(yīng)的故障類型[1-4]。振動(dòng)信號(hào)相比噪聲信號(hào)受環(huán)境干擾少，因此國內(nèi)外廣泛采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)（包含以振動(dòng)信號(hào)為主，噪聲信號(hào)相匹配的監(jiān)測(cè)技術(shù)）來診斷汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障[5-9]。但振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)也存在一些應(yīng)用限制，如振動(dòng)傳感器主要監(jiān)測(cè)低頻信號(hào)，在帶電部位或封閉裝置內(nèi)無法使用振動(dòng)傳感器等[10-12]。噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)可不受上述限制，但對(duì)有效信號(hào)有效分析有更高的技術(shù)要求。本文通過對(duì)某水電廠水輪發(fā)電機(jī)異常噪聲分析和提取，以異常噪聲的特征頻段為判別指標(biāo)，準(zhǔn)確識(shí)別出了該水輪發(fā)電機(jī)放電故障部位和類型，為發(fā)電機(jī)的故障診斷提供了一種新的方法。

1 水輪發(fā)電機(jī)噪聲異常狀況

湖南某水電站裝機(jī)總?cè)萘?40MW，共安裝3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量80MW。1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)在+Y—－X—－Y半圓區(qū)域（圖1中測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)9）發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲含有明顯的“嗞嗞”聲音。為掌握異常噪聲特征和規(guī)律，對(duì)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)上風(fēng)洞的噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于碗米坡水輪發(fā)電機(jī)上風(fēng)洞，以+Y點(diǎn)為起點(diǎn)，沿+Y—－X—－Y—+X方向均勻分布16個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，測(cè)點(diǎn)位于定子上部0.5m。

2 水輪發(fā)電機(jī)噪聲異常分析與診斷

2.1 異常噪聲特征分析

對(duì)比1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)和3號(hào)發(fā)電機(jī)各測(cè)點(diǎn)噪聲值大小，與異常噪聲并無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。在采用FFT分析對(duì)異常的1號(hào)發(fā)電機(jī)噪聲和正常的3號(hào)發(fā)電機(jī)噪聲頻譜進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)發(fā)現(xiàn)（如圖2所示），對(duì)比3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)以及1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)無異常噪聲區(qū)域，異常噪聲在1000～6000Hz有較大分量，表明1000～6000Hz頻段為異常噪聲的特征頻段。在做時(shí)域頻譜圖分析時(shí)，如圖3所示（顏色越亮代表該區(qū)域的噪聲能量更大），除了驗(yàn)證出異常噪聲在1000～6000Hz比正常噪聲能量更大以外，異常噪聲還在更高頻約17000Hz左右具有比正常噪聲更大的能量。

圖1 發(fā)電機(jī)上風(fēng)洞測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖3 不同機(jī)組噪聲時(shí)頻譜圖對(duì)比（60MW負(fù)荷，0無功）

2.2 異常噪聲分布

通過對(duì)異常噪聲信號(hào)濾波提取，對(duì)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷為75MW時(shí)的噪聲按頻率分段進(jìn)行提取求和。圖4為各測(cè)點(diǎn)在1000~6000Hz頻段的噪聲分布，圖5為各測(cè)點(diǎn)在0~1000Hz頻段的噪聲分布。從圖4可知1000~6000Hz頻段噪聲較大的區(qū)域在測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)5，噪聲最大值為測(cè)點(diǎn)3，這個(gè)規(guī)律是與現(xiàn)場(chǎng)感受的異常噪聲規(guī)律一致的，表明該頻率段可以用來較好地識(shí)別是否存在異常噪聲。測(cè)點(diǎn)13成為一定區(qū)域內(nèi)的峰值，該測(cè)點(diǎn)雖然在現(xiàn)場(chǎng)通過人耳感受不到有異常，但最后在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)確實(shí)存在同測(cè)點(diǎn)3一樣的故障，只是程度稍輕。而圖5顯示0~1000Hz頻段的噪聲分布并無明顯的規(guī)律，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，噪聲最大值為測(cè)點(diǎn)15，表明該頻率段的噪聲與異常噪聲無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)1000~6000Hz噪聲分布（75MW）

圖5 1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)0~1000Hz噪聲分布（75MW）

2.3 不同工況下1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)噪聲

（1）空載變勵(lì)磁時(shí)噪聲變化

圖6和圖7分別為1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)各測(cè)點(diǎn)在空載變勵(lì)磁時(shí)1000~6000Hz頻段和0~1000Hz頻段噪聲變化。從圖6和圖7可看出空載變勵(lì)磁對(duì)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)噪聲并無顯著影響。

（2）不同負(fù)載時(shí)噪聲變化

圖8和圖9分別為1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)各測(cè)點(diǎn)在負(fù)荷為0MW（0MVar）、20MW（5MVar）、40MW（3MVar）、50MW（10MVar）、60MW（11MVar）、70MW（12MVar）、80MW（12MVar）時(shí)，1000~6000Hz頻段和0~1000Hz頻段噪聲變化。從圖8可看出，隨著負(fù)荷的增加1000~6000Hz噪聲也顯著增加，且測(cè)點(diǎn)3的噪聲值最大。從圖9可看出，隨著負(fù)荷的增加0~1000Hz噪聲也顯著增加，噪聲最大值位于測(cè)點(diǎn)7，但部分測(cè)點(diǎn)在負(fù)荷大于60MW時(shí)噪聲值反而降低。

圖6 空載變勵(lì)磁時(shí)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)1000~6000Hz噪聲變化

圖7 空載變勵(lì)磁時(shí)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)0~1000Hz噪聲變化

圖8 不同負(fù)荷加正無功時(shí)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)1000~6000Hz噪聲變化

圖9 不同負(fù)荷加正無功時(shí)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)0~1000Hz噪聲變化

（3）不同負(fù)載加負(fù)無功時(shí)噪聲變化

圖10和圖11分別為1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)各測(cè)點(diǎn)在負(fù)荷為0MW（－30MVar）、40MW（－25MVar）、60MW（－20MVar）、80MW（－20MVar）時(shí)，1000~6000Hz頻段和0~1000Hz頻段噪聲變化。從圖10可看出，隨著負(fù)荷的增加1000~6000Hz頻段噪聲也顯著增加，測(cè)點(diǎn)3的噪聲值最大，這與同樣負(fù)荷條件下帶正無功時(shí)的噪聲規(guī)律一致，但噪聲幅值要略小。從圖11可看出，隨著負(fù)荷的增加0~1000Hz頻段噪聲也顯著增加，噪聲最大值位于測(cè)點(diǎn)7，部分測(cè)點(diǎn)在負(fù)荷大于60MW時(shí)噪聲值反而降低，這與同樣負(fù)荷條件下帶正無功時(shí)的噪聲規(guī)律一致，但噪聲幅值要略小。

圖10 不同負(fù)荷加負(fù)無功時(shí)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)1000~6000Hz噪聲變化

圖11 不同負(fù)荷加負(fù)無功時(shí)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)0~1000Hz噪聲變化

2.4 發(fā)電機(jī)故障診斷初步結(jié)論

因異常噪聲僅存在于固定的局部區(qū)域，如果轉(zhuǎn)子存在故障，異常噪聲會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，因此排除了轉(zhuǎn)子故障的可能；空載變勵(lì)磁時(shí)并無異常噪聲，因此排除了勵(lì)磁故障的可能；因設(shè)備廠方已對(duì)定子和轉(zhuǎn)子間氣隙間距進(jìn)行了檢查，因此排除了氣隙間距不均的可能；因設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行且振動(dòng)檢測(cè)不存在超標(biāo)現(xiàn)象，因此排除了定子線圈松動(dòng)的可能。

1號(hào)發(fā)電機(jī)異常聲響頻率提取分析結(jié)果表明，1000~6000Hz頻段的特征量能較好地表征異常噪聲特性，因機(jī)械噪聲和水力噪聲的頻率范圍都較低，所以異常聲響應(yīng)為電氣噪聲，而且異常噪聲頻譜范圍較寬，推測(cè)故障為發(fā)電機(jī)定子局部存在放電點(diǎn)。

3 噪聲異常診斷結(jié)果驗(yàn)證

1號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行大修檢查時(shí)通過外觀檢查、鐵損試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)等均未發(fā)現(xiàn)異常。在進(jìn)行C相局放試驗(yàn)（電壓13.8kV）時(shí)，發(fā)現(xiàn)第423號(hào)（測(cè)點(diǎn)3）、259號(hào)（測(cè)點(diǎn)13）線棒對(duì)測(cè)溫電纜有放電現(xiàn)象，局放試驗(yàn)結(jié)果詳見表1，放電痕跡如圖12所示。不同局放情況下噪聲頻譜圖如圖13所示，通過放電和不放電時(shí)的噪聲頻譜對(duì)比分析可知，放電時(shí)的噪聲頻率在1000Hz以上均有顯著的增加。因此通過噪聲診斷出的部位和頻率均與檢修試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的部位和噪聲頻率相一致，驗(yàn)證了噪聲診斷的正確性。

圖12 1號(hào)發(fā)電機(jī)放電部位圖片

表1 1號(hào)發(fā)電機(jī)局放試驗(yàn)結(jié)果

圖13 放電頻譜對(duì)比

4 結(jié)論

（1）本文通過對(duì)發(fā)電機(jī)異常噪聲的FFT分析和時(shí)頻譜圖分析，準(zhǔn)確識(shí)別出了1000~6000Hz頻段為異常噪聲的特征頻段。

（2）通過對(duì)異常噪聲特征頻段的檢測(cè)，確定出了異常噪聲的部位，包括人耳不能感受到的部位。

（3）通過各種工況運(yùn)行時(shí)的異常噪聲變化規(guī)律和異常噪聲的頻譜，診斷出發(fā)電機(jī)的故障為發(fā)電機(jī)定子局部存在放電點(diǎn)。

（4）大修時(shí)的局放試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)識(shí)別出的異常噪聲部位確實(shí)存在放電點(diǎn)，驗(yàn)證了基于噪聲頻段提取法診斷水輪發(fā)電機(jī)放電故障的正確性。

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A Diagnosis Method for Hydraulic Generator Fault Based on Noise Frequency Band Extraction

HU Sheng1, HAO Jianbo1, LUO Zhongqi2, SUN Bo2, MENG Zuohong1, WU Xiaowen1, TANG Qi3

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China;2. Wanmipo Hydropower Plant, Wu Ling Power Corporation, Baojing 416000, China;3. Hunan Xiandian Test&Research Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

The vibration and noise signals of generator can reflect its running status information. In contrast with vibration signal, noise signal is not limited by the conditions of signal frequency, equipment charging or sealing. Based on noise frequency band extraction, the characteristic frequency band of 1000Hz~6000Hz for hydraulic generator abnormal noise was identified. According to the change rules of the characteristic frequency band for various operating conditions, partial discharge points of the hydraulic generator were detected. The partial discharge test results verified that the diagnosis result was correct.

hydraulic generator; noise; frequency band; diagnosis method; partial discharge

TM307

A

1000-3983(2017)06-0025-05

2016-12-15

胡勝（1979-），2011年6月畢業(yè)于華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)，博士，主要從事電力設(shè)施噪聲與振動(dòng)防治技術(shù)研究，工程師。