大型风力发电机组振动状态监测与故障诊断系统设计及应用.docx

大型风力发电机组振动状态监测与故障诊断系统设计及应用摘要：实现风力发电机组状态监测和故障诊断是确保大型风力发电场安全运行和降低维护成本的重要手段。文章设计了振动状态监测与故障诊断系统分别从系统结构、功能和特点三个方面阐述了系统的软硬件实现。在振动信号特点和信号处理的基础上论证了几种故障诊断方法。实际风电场运行情况表明该系统能够满足风电场运行、维护的需要。关键词：风力发电组；状态监测；故障诊断；振动信号；系统设计文献标识码：A中图分类号：TM315文章编号：1009-2374（2015）36-0006-03DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.36.003大型风力发电机组常应用于偏僻偏远的地区如丘陵、草原、近海、戈壁滩等气候恶劣、环境复杂且分布面积广远离监控中心。受风力发电机组运行环境和复杂的电力设备因素影响风力发电机组设备很容易损坏且维修成本高增加了风电场的运营成本。目前已有一些通用的状态监测系统应用到风力发电领域但缺乏一个面向整机所有重要关键部件参数测量的状态监测系统且现有的故障诊断系统分析功能较薄弱因此研究开发完善的状态监测和故障诊断系统在机组20年的正常使用寿命期间实时监测运行状态并及时分析状态参数准确判断故障和隐患合理安排维护方案降低风电场运营维护成本具有十分重要的意义。本文根据风力发电机组的结构设计了一种大型风力发电机组振动状态监测和故障诊断系统介绍了状态监测系统的组成、风力机主要部件的故障以及故障诊断方法并通过该系统在风电场的实际应用举例证明了该系统稳定、可靠、高效完全能够满足风电场运行、维护的需要。1大型风力发电机组振动状态监测系统振动状态监测系统是通过安装在风力发电机组设备上的传感器监测风电设备的运行状态参数评估设备运转状况。风力发电机组的结构决定了传感器的安装位置传感器的精度和安装工艺影响了状态监测量的准确度。数据采集器是状态监测的硬件系统的关键部件采集器的精度和数据处理能力直接影响故障诊断系统的功能。1.1风力发电机组结构风力发电机组设备主要包括风轮、机舱、塔筒和基础等部分其中机舱主要部件包括主轴、齿轮箱、发电机等关键部件。根据风力发电机组驱动形式主要分为双馈式风力发电机组、半直驱式风力发电机组、直驱式风力发电机组。市场上大部分运行的是双馈式风力发电机组其基本结构见图1所示：风轮吸收风能并将其转化为机械能传递给机舱中的传动链系统。双馈式风力发电机组的传动链系统按照能量传递顺序依次是主轴、齿轮箱、发电机轮毂带动主轴转动主轴作为齿轮箱的输入端带动齿轮箱低速旋转齿轮箱具有增速作用通过内部齿轮传动将主轴的低速提升到发电机能够正常发电的高速齿轮箱高速轴驱动双馈发电机发电。双馈发电机产生的电能通过塔筒底部的变流器接入电网。塔筒和基础是风力发电机组的支撑结构使其获得充足、稳定的风力来发电。1.2振动状态监测量振动状态监测量的选择必须满足能够全面监测到机组关键部件的振动的条件风力发电机组的振动主要包括塔筒、机舱、叶片、主轴、齿轮箱、发电机的振动。其中主轴转动引起的机舱和振动振动频率低需采用低频加速度传感器齿轮箱、发电机的振动采用压电式加速度传感器测量。传感器的安装分为磁座式安装和螺栓安装两种方式两种安装方式都要求传感器安装表面平稳。为了能充分获得有效的故障信息必须选择最合理的监测分布。在设备运行过程中振动具有传递性因此可以通过安装在设备表面的传感器获得设备内在的故障信息。安装在主轴径向和轴向的加速度传感器测量叶轮和塔筒振动的同时还可以测量安装在轴承座内的滚动轴承振动情况。在风电齿轮箱中齿轮啮合、轴和轴承的转动都会产生相应的振动而这些振动都会间接的传递到轴承上因此只要在轴承部位对应的壳体上安装振动传感器就可以采集到相应轴承和齿轮的振动。发电机前后轴承振动可以通过安装径向传感器测量。风力发电机组振动受风机转速影响较大故需要在高速轴安装转速传感器。综上所述风力发电机组典型测点布置如图2所示测点布置方向和监测量如表1所示：1.3振动状态监测系统设计风电场振动状态监测系统是数据采集、中央监控和远程访问一体化的系统整个系统由三部分组成：（1）机舱监控系统。由传感器、数据采集器和布置在机舱控制柜内的前置通信子系统组成。传感器测量风力机设备振动信号采集模块实现传感器输出信号的采集、抗混叠滤波、A/D转换以及数据输出功能。采集模块输出的数据通过机舱柜内的光纤转换器由塔筒传递到塔底并通过风场光纤环网传递到中控室；（2）中央监控系统。中央监控部分是指布置在风电场控制室内的现场服务器它负责接收风场所有风机的振动数据并存入数据库数据分析软件对数