阅读说明：本技术 一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法 (It is a kind of with vibration frequency be main clue power station stable fault diagnostic method ) 是由 徐洪泉 潘罗平 周叶 廖翠林 安学利 王万鹏 李萍萍 李铁友 刘娟 孟龙 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法,该方法首先以振动、压力脉动频率为主线索进行第一次分类,区分出振动频率和故障源一一对应型故障特征；其次是对其它故障源按振动频率是否是水轮机转频的整数倍进行第二次分类,对振动频率不等于水轮机转频整数倍的故障特征按故障频率范围和主要特征进行区分,对振动频率等于水轮机转频整数倍故障特征则采用故障特征剔除法进行筛选；最后对故障特征不明显或多个可能故障特征相混杂,用监测故障特征还难以准确区分故障源时,需进行变转速、变励磁、变负荷等针对性试验,进一步确定故障源。由此,本发明采用层层剥茧的方法,逐渐逼近故障源,诊断效果明确可期。(It is the power station stable fault diagnostic method of main clue that the present invention relates to a kind of with vibration frequency, and this method is first that main clue carries out the first subseries with vibration, the fluctuating frequency of pressure, distinguishes vibration frequency and source of trouble one-to-one correspondence type fault signature；Followed by other sources of trouble by vibration frequency whether be the hydraulic turbine turn frequency integral multiple carry out the second subseries, the fault signature for turning frequency integral multiple not equal to the hydraulic turbine to vibration frequency is distinguished by failure-frequency range and main feature, turns frequency integral multiple fault signature equal to the hydraulic turbine to vibration frequency and fault signature scalping method is then used to screen；Finally unobvious to fault signature or multiple possible breakdown features mutually mix, and when also being difficult to accurately distinguish the source of trouble with monitoring fault signature, need to carry out variable speed, become the test of the specific aims such as excitation, varying duty, further determine that the source of trouble.The present invention gradually approaches the source of trouble, diagnosis effect clearly can the phase using the method for peeling layer by layer as a result,.)

一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法，属于水力机械技术领域。

背景技术

随着CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)技术和数控加工制造技术的发展及优良不锈钢材料的广泛采用，水轮机效率大幅度提高，转轮等过流部件的抗空蚀、磨损性能不断完善，在水电站运行中遇到的主要故障和缺陷越来越向运行稳定性方面集中或倾斜，已逐渐成为水轮机运行维护面临的主要难题或故障来源。

为保障水电站的安全稳定运行，许多水电站设置建立了机组运行状态监测系统，一方面服务于状态检修需要，一方面为实现智能化故障诊断搭建平台，提供技术支持。在这些状态监测、状态检修和故障诊断系统中，核心内容一直是机组运行稳定性。就稳定性故障的智能诊断而言，难点在水力稳定性。究其原因，是因为许多水力稳定性问题机理并不十分清楚，难以根据不稳定现象进行深入的由表及里分析，准确诊断出故障原因，而多采用各种统计方法或模糊数学方法进行概率分析，给出多因素难分仲伯的大概线索，难以给水电站运行维护以客观有效的指导或帮助，导致水电站的稳定性故障智能诊断长期裹足不前，进展非常缓慢。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法，以对水电站运行中遇到的振动、压力脉动等稳定性故障进行诊断，确定其故障原因及属性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种以振动频率为主线索的水电站稳定性故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：以振动、压力脉动频率为线索，对水电站机组运行稳定性进行第一次分类：若振动频率属于与故障源一一对应型故障特征，则直接确定振动的故障源，否则进行下一步诊断；

步骤二：当振动频率与故障源不一一对应时，按振动频率是否为水轮机转频的整数倍进行第二次分类：

若振动频率不是水轮机转频的整数倍，且属于一段振动故障频率范围对应一种振动故障、多种振动故障频率范围相互搭接的故障类型，结合故障本质特征及振动频率范围共同确定故障源；

若振动频率是水轮机转频的整数倍且单一振动频率对应多个振动源型振动，采用故障必要特征剔除法对可能故障源进行筛选：发现一个故障源必要特征与诊断故障主要特征不对应，则剔除该故障源，剩余者为可能的故障源；

步骤三：当故障特征不明显或多个可能故障特征相混杂，用监测故障特征还难以准确区分故障源时，需补充进行针对性试验，以区分机械、电磁、水力方面因素的影响，进行更细致诊断，最终确定故障源。

所述的水电站稳定性故障诊断方法，优选的，该方法基于以下水电站各种不稳定问题的特点和规律：

1)许多抽水蓄能电站和安装混流式水轮机、贯流式水轮机的水电站机组和厂房振动严重，是由于其振动频率f₁＝int(Z_g/Z_r)·f_n，其中Z_g为导叶数，Z_r为转轮叶片数，f_n为转速频率；

2)自激弓状回旋，分公转和自转同向及公转和自转逆向两种：若水轮机主轴中心绕转轮室中心的公转和主轴自转方向相同，则测量的主轴摆度、轴承振动频率均为主轴临界转速频率；若主轴中心公转和主轴自转方向相反，则测量的主轴摆度、轴承振动频率均为主轴临界转速频率与额定转速频率之差；

3)叶道涡频率f_v应为转速频率f_n和导叶数Z_g之乘积，即f_v＝Z_g·f_n。

所述的水电站稳定性故障诊断方法，优选的，所述针对性试验为进行变转速、变励磁或变负荷的试验。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明是在基于申请人对水力机械水力稳定性频率特征、压力脉动传播规律进行深入研究的基础上提出的，结合对水电站水力、电磁及机械等三方面因素引起各种振动故障频率特性的总结归纳，并以此为主线索，采用层层剥茧的方法，逐渐逼近故障源，诊断效果明确可期。2、本发明是建立在申请人已全面掌握各种稳定性故障频率特征这一本质认识基础之上，理论联系实际，有科学基础。

具体实施方式

以下将对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。

首先，申请人在进行水力机械压力脉动发生机理及传播规律研究中，总结了如下的水电站各种不稳定问题的特点和规律之后提出的：

1)许多抽水蓄能电站和安装混流式水轮机、贯流式水轮机的水电站机组和厂房振动严重，是由于其振动频率f₁＝int(Z_g/Z_r)·f_n，其中Z_g为导叶数，Z_r为转轮叶片数，f_n为转速频率，这说明在该水轮机(或水泵水轮机)的导叶周围产生了较大范围的空化空腔，该空化空腔在叶频压力脉动搅动下产生附加压力脉动。如果是混流式水轮机或水泵水轮机，该空化空腔产生于导叶进口的脱流旋涡，而贯流式水轮机则产生于导叶端面的间隙流，均因为漩涡涡心流速高而产生空化。

2)自激弓状回旋，分公转和自转同向及公转和自转逆向两种：若水轮机主轴中心绕转轮室中心的公转和主轴自转方向相同，则测量的主轴摆度、轴承振动频率均为主轴临界转速频率；若主轴中心公转和主轴自转方向相反，则测量的主轴摆度、轴承振动频率均为主轴临界转速频率与额定转速频率之差。

3)叶道涡频率f_v应为转速频率f_n和导叶数Z_g之乘积，即f_v＝Z_g·f_n。特别是发生在转轮叶片进水边的叶道涡，当其旋转经过导叶时，导叶出水边沿圆周分布的不均匀压力会对叶道涡施加其影响：当叶道涡空化空腔遇到导叶出口低压部分时，会使叶道涡压力降低，导致空化空腔进一步膨胀；当叶道涡空化空腔遇到导叶出口高压部分时，会使叶道涡压力增高，导致空化空腔收缩甚至溃灭；如此周期性变化，则会给转轮流道内水体施加一疏密变化的压力波，即纵波。由于该叶道涡随转轮旋转，旋转频率为转频，旋转一圈遇到Z_g个导叶，引起Z_g次膨胀-收缩，其引起压力脉动频率等于Z_g·f_n。

4)对已有的研究成果进行总结，还可归纳出如下一些规律：

①部分负荷尾水管涡动压力脉动引起振动，振动频率f₁＝(0.1～0.5)f_n；

②高部分负荷压力脉动引起振动，振动频率f₁＝(1～4)f_n；

③机械或水力不平衡引起径向振动、摆度，振动频率f₁＝1·f_n；

④发电机静态或动态气隙不均匀引起振动，定子振动频率为转/极频或倍转/极频；

⑤分数槽绕组产生的次谐波振动，振动频率为2倍极频；

⑥类转频压力脉动，振动频率f₁＝(0.8～1.5)f_n；

⑦主轴或转轮迷宫环椭圆，振动频率f₁＝2·f_n；

⑧转轴曲折，推力轴承滑动面与主轴不垂直，水轮机上、下止漏环不同心等引起振动、摆度大，振动频率f₁＝1·f_n；……，等等。

可见，针对每一种振动故障，申请人都清楚其频率范围及振动特征。因此，申请人以此为脉络提出了一种水电站稳定性故障诊断方法，该方法以振动频率为主线索划分故障来源组，再采用分类排除法找到故障源，必要时开展部分补充试验，为电站安全稳定运行保驾护航，具体包括以下步骤：

步骤一：以振动、压力脉动频率为线索，对水电站机组运行稳定性进行第一次分类：若振动频率属于与故障源一一对应型故障特征，则直接确定振动的故障源，否则进行下一步诊断。

举例来说，如果振动频率f₁等于临界转速频率f_c或临界转速频率f_c与额定转速频率f_n之差(f_c-f_n)，则确定发生自激弓状回旋振动；如果机组和厂房振动频率f₁等于int(Z_g/Z_r)·f_n，则说明在导叶周围发生了间隙流空化(灯泡贯流式水轮机)或脱流漩涡空化(混流可逆式水泵水轮机等)，空化空腔的膨胀-收缩循环产生附加压力脉动，导致该频率强烈振动。除此之外，涡带压力脉动、卡门涡振动、工频振动等频率振动也属于故障源比较确定的压力脉动或振动。

步骤二：当振动频率与故障源不一一对应时，按振动频率是否为水轮机转频的整数倍进行第二次分类：若振动频率不是水轮机转频的整数倍，且属于一段振动故障频率范围对应一种振动故障、多种振动故障频率范围相互搭接的故障类型，结合故障本质特征及振动频率范围共同确定故障源。

举例来说，类转频压力脉动和高部分负荷压力脉动频率均不是转频的整数倍，都有一定范围，并且还有很大部分的搭接，单凭频率很难区分。此时可根据各自发生的功率范围、有没有发生压力振荡(类转频压力脉动多发生压力振荡)、是否发生负荷脉动(类转频压力脉动多发生负荷脉动)等进行区分。

若振动频率是水轮机转频的整数倍且单一振动频率对应多个振动源型振动，采用故障必要特征剔除法对可能故障源进行筛选：发现一个故障源必要特征与诊断故障主要特征不对应，则剔除该故障源，剩余者为可能的故障源。

此外，为了进一步确定故障源，在振动频率是转频的整数倍情况下，可结合其他包含明确故障信息的特征来进行故障识别，以水电机组轴心轨迹为例，如果水电机组的主轴存在轻微不对中，则轴心轨迹呈椭圆形；如果因为轴瓦倾斜导致严重不对中故障，轴心轨迹呈外“8”字型，且2倍转频成分较大；如果水电机组的转子存在不平衡，轴心轨迹接近正圆；如果存在动静碰摩故障，则轴心轨迹迂回曲折，还包含有碰撞引起的尖突成分。

步骤三：当故障特征不明显或多个可能故障特征相混杂，用监测故障特征还难以准确区分故障源时，需补充进行针对性试验，例如进行变转速、变励磁或变负荷等试验，以区分机械、电磁、水力等方面因素的影响，进行更细致诊断，最终确定故障源。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。