任 波

（金安橋水電站有限公司，云南麗江 674100）

0 引言

許多電氣設(shè)備的損壞是由異常振動(dòng)引起的，因此每種類型的設(shè)備都需要確定其振動(dòng)的方法。振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致基本的機(jī)組運(yùn)行信息和機(jī)組部件的特性發(fā)生改變[1]。異常振動(dòng)檢測(cè)可用于確定設(shè)備的異常，提前了解設(shè)備是否損壞，防止影響設(shè)備的正常操作并確保其正常運(yùn)行，大大減少因工廠設(shè)施損壞而造成的財(cái)產(chǎn)損失和工人活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)[2]。然而，許多設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在運(yùn)行過程中經(jīng)常以極快的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易引起復(fù)雜的內(nèi)部振動(dòng)發(fā)生。但由于檢測(cè)難度大，傳統(tǒng)的異常振動(dòng)檢測(cè)方法的應(yīng)用水平較低，對(duì)于一些不常見的振動(dòng)檢測(cè)不能夠提前辨別出來。本文建立了一種確定水電站電氣設(shè)備異常振動(dòng)的新方法[3]，可以檢測(cè)到非常復(fù)雜的設(shè)備振動(dòng)。

1 水電廠電氣設(shè)備異常振動(dòng)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 振動(dòng)信號(hào)分解

水電廠電氣設(shè)備發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，要對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行采集，采集的振動(dòng)方式以信號(hào)的形式存儲(chǔ)在采集器中。采集過程中信號(hào)種類呈現(xiàn)多種的樣式，因此需要對(duì)采集到的設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)實(shí)施分解，以此得到設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)。在單分量設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)研究的情況下，信號(hào)排布比較復(fù)雜，實(shí)用的分解模態(tài)信號(hào)函數(shù)必須滿足以下要求。首先需要滿足插值擬合的函數(shù)條件，其次設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)必須標(biāo)記出極大、極小值點(diǎn)，描繪出設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)的上、下包絡(luò)線。

在采集設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)時(shí)候，信號(hào)的頂部包絡(luò)線和底部包絡(luò)線都是對(duì)稱的，與同條件下采集的其他信號(hào)相對(duì)應(yīng)的單分量是一致的[3]。因此取設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)的最大值和最小值，計(jì)算振動(dòng)信號(hào)上下區(qū)域線，得到振動(dòng)信號(hào)分量m1：

其中，f（t）表示為采集的原始信號(hào)，c1表示第一階信號(hào)分量，則：

其中，R1表示為原始信號(hào)的逼近分量。

重復(fù)以上過程，能夠得到多個(gè)信號(hào)分量β（t）：

上述分布過程的成分，均反映初始采集信號(hào)的特征尺度。將原始信號(hào)變換用于處理分量，分析信號(hào)的極坐標(biāo)，收集數(shù)據(jù)，并用信號(hào)變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以獲得信號(hào)的最佳逼近值[4]。

根據(jù)水電廠電氣設(shè)備部件即時(shí)振動(dòng)下的應(yīng)急頻率定義，可以表示為：

若x（t）表示該水電廠電氣設(shè)備震蕩頻率的縮放參數(shù)，用ψ 表示波函數(shù)，那么來自點(diǎn)x（t）的波的變換W則被認(rèn)為是水電廠電氣設(shè)備振動(dòng)信號(hào)對(duì)照參數(shù)，可以表達(dá)為：

其中b 是位置的參數(shù)，t 是水電廠電氣設(shè)備圓振動(dòng)的顯示比例參數(shù)。具體流程如下：

信號(hào)振動(dòng)因子a1/2的主要作用就是在式（6）確保轉(zhuǎn)換過程中的信號(hào)源。波長(zhǎng)ψ 函數(shù)的選擇并不具體，但選擇標(biāo)準(zhǔn)必須滿足以下特征：①必須支撐其定義的區(qū)域，以確保水電廠電氣設(shè)備信號(hào)特性，并獲得臨時(shí)振動(dòng)信號(hào)局部化特性；②振動(dòng)信號(hào)波長(zhǎng)必須符合容許條件，即：

其中，ψ（ω）=∫ψ（t）ω（t）dt 存在的前提是小波函數(shù)∫ψ（t）波形的轉(zhuǎn)換是振蕩的。db是振動(dòng)參數(shù)，da為水電廠電氣設(shè)備有限振動(dòng)極限函數(shù)。在式（8）中，W 是具有不同水電廠電氣設(shè)備頻率的函數(shù)。最終分解可以得到：

1.2 異常振動(dòng)模式識(shí)別

在上述分解設(shè)備異常振動(dòng)信號(hào)中，可以利用振動(dòng)信號(hào)的特征將電氣設(shè)備的異常振動(dòng)模塊劃分為多個(gè)異常振動(dòng)類型，Z1表示力偶不平衡引起的振動(dòng)、Z2表示機(jī)械松動(dòng)引起的振動(dòng)、Z3表示轉(zhuǎn)子摩擦引起的振動(dòng)、Z4表示共振引起的振動(dòng)（表1）。

表1 振動(dòng)模式劃分

表1 中的K 是水電廠電氣設(shè)備正常的偏振參數(shù)，R 對(duì)應(yīng)的偏振故障點(diǎn)的元件名稱。水電廠電氣設(shè)備在正常工作狀態(tài)下的振動(dòng)參數(shù)，應(yīng)低于異常振動(dòng)類型對(duì)應(yīng)的參考值。為了使異常振動(dòng)符合異常振動(dòng)部件，對(duì)電氣設(shè)備和設(shè)備的異常振動(dòng)進(jìn)行了重新分類。根據(jù)電氣設(shè)備中異常振動(dòng)類型的分布和異常振動(dòng)類型所在的位置，在此點(diǎn)附近測(cè)量異常振動(dòng)分量的位置和異常振動(dòng)角度。基于所獲得的角度值，選擇幾個(gè)異常振動(dòng)信號(hào)作為部件的特性。通過特征提取有效信號(hào)表征電氣設(shè)備異常振動(dòng)的特征，對(duì)已提取的特征量進(jìn)行分類識(shí)別，進(jìn)一步進(jìn)行振動(dòng)類型，以實(shí)現(xiàn)異常振動(dòng)模式識(shí)別。

1.3 發(fā)生異常振動(dòng)位置的確定

將識(shí)別出的電氣設(shè)備振動(dòng)類型根據(jù)正交小波基構(gòu)造法進(jìn)行處理，從而確定設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)的具體位置。將g（x）作為函數(shù)的可比波長(zhǎng)函數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)二階導(dǎo)數(shù)狀態(tài)下，g（x）是同一函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)。轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，G 表示具有積分核的積分變換，ψ（1）（x）、ψ（2）（x）表示兩種小波能量。對(duì)式（9）進(jìn)行積分處理可得：

此時(shí)，式（10）符合式（9）的滿足條件，因此根據(jù)該方程可以識(shí)別振動(dòng)信號(hào)（見式（11））。

在水電廠電氣設(shè)備正常運(yùn)作過程中，每個(gè)振動(dòng)信號(hào)的突變類型是不同的。根據(jù)導(dǎo)數(shù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的振動(dòng)類型變換函數(shù)，以完成計(jì)算。

振動(dòng)信號(hào)函數(shù)f（x）在時(shí)域內(nèi)表達(dá)式為：

根據(jù)式（11），將異常振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域形式的表達(dá)式為：

其中，f（s）表示振動(dòng)信號(hào)頻閾函數(shù)。

其中，E 表示水電廠電氣設(shè)備各振動(dòng)信號(hào)形成的特征集合，其在的各個(gè)參數(shù)表示各種電氣設(shè)備非正常振動(dòng)信號(hào)標(biāo)記位置。在此基礎(chǔ)上，通過特征集合E 構(gòu)建訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本進(jìn)行對(duì)照，使用訓(xùn)練樣本識(shí)別測(cè)試樣本即可檢測(cè)出疊加振動(dòng)具體位置，實(shí)現(xiàn)了水電廠電氣設(shè)備的異常振動(dòng)檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證水電廠電氣設(shè)備異常振動(dòng)檢測(cè)方法的有效性和可行性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)的基于隨機(jī)森林的設(shè)備異常振動(dòng)檢測(cè)方法作為對(duì)照組a，將基于多源傳感的設(shè)備異常振動(dòng)檢測(cè)方法作為對(duì)照組b，設(shè)置本文方法為實(shí)驗(yàn)組，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證本文方法的檢測(cè)結(jié)果。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，共設(shè)計(jì)了3 次不同類型的異常振動(dòng)，在其余環(huán)境相同的情況下，分析3 種方法的檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)比分析3 種方法的響應(yīng)時(shí)效性。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的檢測(cè)結(jié)果如圖1 所示。對(duì)比分析不同方法對(duì)異常振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)效性，結(jié)果如表2 所示。

圖1 3 種方法的異常振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

分析圖1 的結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組方法分別在約0.5 s、1.5 s、2.5 s 出檢測(cè)出了3 次異常振動(dòng)，與實(shí)驗(yàn)環(huán)境相符。而對(duì)照組a 和對(duì)照組b 方法只檢測(cè)出了2次異常振動(dòng)。

由表2 可以看出，對(duì)照組a 與對(duì)照組b 對(duì)異常振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)效性偏低，而實(shí)驗(yàn)組方法異常振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)效性偏低更好，響應(yīng)時(shí)間始終未超過200 ms，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)組方法的可行性。

3 結(jié)束語(yǔ)

水電站建設(shè)為中國(guó)水電站的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，為人們提供了基本電力，同時(shí)減少了資源短缺。在技術(shù)深度發(fā)展的基礎(chǔ)上，水電站正逐步向智能化階段轉(zhuǎn)變。如果電氣設(shè)備發(fā)生異常振動(dòng)，將對(duì)水電站的運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。本文提出了水電站電氣設(shè)備異常振動(dòng)的檢測(cè)方法，通過設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)將其與傳統(tǒng)的異常振動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的應(yīng)用，可以有效、快速地檢測(cè)異常振動(dòng)，進(jìn)而減少由異常振動(dòng)引起的電氣設(shè)備損壞。