摘要：本文通过针对水轮发电机组常见的各种振动现象及其发生原因进行分析，提出了水轮发电机组振动判断的基本方法。介绍了目前正逐渐成熟并在水电厂使用的水轮发电机组在线监测专家分析系统，以及水电厂“状态检修”方式的实施模式。

关键词：水轮发电机组振动分析在线监测状态检修

1水轮发电机组振动概述

水轮发电机组的振动是以水轮机为原动力，水的能量是激发或维持机组振动的最根本能源。它既可直接激发并维持机组的振动，也可间接激发或维持机组振动。从振动的发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性所决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。发电机是将水轮机的机械能转换为电能的装置，在转换过程中，由于某些方面如设计、加工、安装或参数配合不当也会引起发电机的磁振动。从结构上讲，水轮发电机组可以分成两大部分：转动部分和固定、支持部分。它们中任何一个部件存在机械缺陷时都可能引起机组的振动，而这些缺陷可能是由设计、加工、安装等任何一个环节所引起。因此，一般来说水轮发电机组有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分；异常情况下还有其它振动部件，如定子铁心等。

2水轮发电机组振动的类别

常规振动是指由不可避免的因素引起的振动。在混流式水轮机中，这种不可避免因素主要有两个：尾水管涡带压力脉动和不平衡力。异常振动主要有以下几种情况：一是共振→它可能出现在机组的转动部分、叶片、水体、定子铁心等处；二是自激振动→水轮机中自激振动主要由迷宫泄漏所引起；三是水体共振及其引起的机组强烈振动→流道中，任何部分的水体部分都可能发生共振。

在水轮发电机组振动中，转子不平衡也是一个非常突出的问题，不平衡是旋转机械最常见的故障。不平衡包括机械、水力、电气不平衡。无论什么不平衡，产生的根源（缺陷）一定在转动部分上。不平衡的频率一定是转速频率：

2.1机械不平衡

立轴机组摆度包含轴线曲折、轴的弹性变形、导轴承间隙。转子不平衡主要产生于：①制造和安装阶段：各种偏差、材质不均匀；②运行阶段：部件磨损、松动和脱落等；③其他情况：以不平衡的面貌出现，属于不平衡的范畴。引起转子不平衡的原因可以分为：——缺陷类：转动质量原因、轴线原因，如轴线的曲折度，轴线与推力镜板不垂直，镜板和推力轴承不水平，各种轴承不同心、不平行；——附加影响类：由弓状回旋引起，对高速机组影响比较大。

2.2磁力不平衡

磁力不平衡主要指沿发电机转子四周磁拉力不对称的情况。其产生原因是：转子不圆；转子旋转中心与几何中心不一致；电气方面的原因，如磁极匝间短路。经验表明，磁不平衡常与机械不平衡共生，磁不平衡力只与空载励磁电流以下的范围成比例关系。

2.3水力不平衡

水力不平衡由转轮叶片和流道形状不一致所引起，它与机组的过流量成一定比例关系。常规情况下也把由迷宫间隙周期变化引起的间隙压力脉动归入其内。间隙的周期变化可由迷宫转动部分不圆或轴的摆度所引起。

由此可见，机组机械不平衡、电磁不平衡和水力不平衡之间可以相互影响。

2.4热不平衡

当轴的横断面上沿圆周温度分布不均匀时，则轴将产生不均匀膨胀而发生弯曲。轴的弯曲一方面要加大轴的弓状回转半径，从而使离心力进一步增大；另一方面将使机械不平衡和磁不平衡增大。这种情况大多发生在轴偏摩的情况下。

在分析上述几种不平衡时，可以采用综合平衡法，即：水、机、电综合；上、下、水三导综合；摆度和振动综合；一般与特殊情况综合。通过判断振动和摆度来调整轴线的姿态。

3机械原因引起的振动及分析

机械故障引起的振动，其频率和转频相同或成整倍数关系。不同原因引起的振动还有自己的特征，机械故障的偶然性和多样性，不像有些水力或电磁振动那样有一定的规律。要识别它们，需要对机组各部分的结构、性能、加工、安装工艺等有一定的了解，同时，实践经验和同类别的电厂情况的积累有助于迅速地识别和排除故障。

3.1轴线不对中

由于轴承中心线偏斜或偏移、转子的弯曲、转子与轴承的内隙以及承载后转子与轴承的变形等原因都将引起轴线不对中。其影响是：产生不平衡离心力；增大转子弓状回旋半径；引起迷宫中较强的压力脉动，有时还会引起机组的自激振动。有的电厂运行检修经验表明，有些不对中的情况还会产生两倍频的附加径向力和摆度，还会有一个转频的附加轴向力作用在推力轴承上。

3.2轴瓦间隙大

其它条件不变时，轴瓦间隙的大小直接决定转子弓状回旋半径，（基本规律是：间隙有多大，摆度幅值就有多大）；降低转动部件的临界转速。

弓状回旋半径和附加离心力的关系图

导轴承间隙增大，临界转速将降低如鱼子溪由1100r/min到576r/min；葛州坝由276r/min到162r/min。轴瓦间隙增大，大多是在机组运行一段时间后出现的，主要原因：一是径向不平衡力较大，二是轴瓦支持部件的设计不够合理。

3.3镜板不平

镜板不平主要是由于加工和安装上的缺陷所造成的，其特征为摆度波形上有明显的2倍频。

3.4推力头松动

推力头松动指推力头内孔和轴颈间存在间隙。当推力头松动时，机组振动、摆度的特点为：机组运行时的动态轴线姿态会发生突然变化，机组的振动、摆度忽大忽小，呈不稳定状态。而且，推力头松动也会给机组盘车带来困难。如：

南桠河电厂：间隙值为0.07mm，摆度大，相位不稳定，盘车困难；

大岩坑电厂：原来间隙0.04mm，后来修改为0.01mm紧度，摆度、振动大，相位不稳定。

4水轮发电机的极频电磁振动及分析

按照振动频率，水轮发电机的电磁振动可分为：磁转频振动和极频振动两类。理论上，极频磁振动的频率是100HZ及其整倍数，实际上主要为100HZ。极频磁振动只在共振时才比较明显。因此，实际工作中要特别注意共振的情况。

4.1极频振动产生的主要原因：

（1）定子分数槽次谐波磁势。它引起的振动频率为100HZ，振幅随负载电流的增大而增大；

（2）定子并联支路内环流产生的磁势。定子各相沿圆周分布有很多线圈，它们并联在一起构成支路，把支路再组合起来构成绕组。并联支路有两种布置方式，一种是分布布置，另一种是集中布置。水轮发电机通常采用后一种方式。当支路集中时，转子的偏心将在支内引起环流，它能产生一系列的不对称的次谐波势，与分数槽次谐波类似，它也能引起定子的极频振动，振动频率为100HZ。

（3）负序电流引起的反转磁势。当定子三相负载不对称时，绕组会产生负序电流，即相序相反的磁场，它与主磁场叠加产生一个空间次数P=0的磁场，引起定子铁芯作驻波式的振动。

（4）机座合缝不好、定子铁心叠片松动。

4.2振动原因的判断

不同原因引起的振动的特点，主要表现为其振型不同。


测出定子铁芯对应某一振型的固有频率来判断共振，一般试验项目有：

（1）变负荷试验：在同步转速下，逐次改变发电机的负荷，测量100HZ振动随定子电流变化情况，由此确定是否由定子电流次谐波引起。

（2）小负荷变速试验：通过变速试验确定铁芯固有频率，通过对共振时振型的测量确定产生共振的力波的次数和谐波的次数。

（3）空载：分别在并联支路打开和闭合的情况下进行衡励变速试验。如果两种情况下振动没有差别，表明环流影响较大。在后一种情况下，还可以确定铁芯的共振频率和相应的振型。

（4）负序电流变速试验。分别改变负序电流和转速，测出定子铁芯100HZ振动随负序电流的变化和定子铁芯振型。

5水轮发电机组的水力振动及分析

水力振动相对于水力工况而言是比较稳定的，由水力所激发的压力脉动的完全相似是十分困难的，而且完全的水力计算目前还无法进行，只能进行一些局部的计算。但是，压力脉动的影响是可以预防的。水轮发电机组的水力振动主要有以下几个方面：

5.1尾水管涡带

涡带有实心涡带和空腔涡带两种形态，螺旋状涡带将引起压力脉动，注意涡带压力脉动与共况的关系（水头、流量、空化系数），尾水管涡带压力脉动的特点：频率约为转速频率的1/4；出现在以50额定负荷为中心的30～70范围，其分布特征如图。


涡带压力脉动对机组运行的影响主要在于振动、摆度、功率摆动及其它附加影响。一般采用尾水管补气来减少尾水管的涡带压力脉动，补气效果的关键在于自然补气的补气量。

5.2类转频压力脉动

所谓类转频，是指其频率接近转速而又不等于转速。其频率范围为（1.01～1.3）fn；（0.7～0.99）fn。它对机组振动的影响主要是机组的垂直振动和全水力系统的强烈压力脉动。一般出现在额定功率25或75左右（随水头大小而变化），振动范围很小。

值得注意的是，类转速压力脉动只有在水体共振的情况小才显示其影响，所以，其预防的关键在于进行共振校核。

5.3迷宫止漏装置中的压力脉动

当迷宫中间隙发生周期性变化时，就会在其间隙中产生压力脉动。迷宫压力脉动一般为转频，并作为总水力不平衡的一部分。

迷宫中压力脉动达到一定程度并且和大轴的摆度方向成一定角度时，就可能引起转动部分的自激振动。迷宫引起的自激振动的情况主要与迷宫的结构和尺寸密切相关。

5.4卡门涡

卡门涡是水流绕流物体在尾部两侧交替产生的周期性流动分离现象。水轮机中的卡门涡受工况和结构的影响特别强烈。它主要影响在于引起固定导叶、活动导叶、转轮叶片和局部水体的共振。

从现有的电厂运行维护经验看，岩滩水电厂出现导叶后水体的共振；大朝山电厂出现转轮叶片共振。

在进行转轮叶片共振判断分析时，主要观察其是否有强的、频率比较单一的噪音或金属共鸣声。

5.5其他类型的水力振动

在水轮发电机组中，还存在一些如转轮叶片进口边附近的脱流引起的振动和噪音及导叶叶道流速分布不均匀产生的压力脉动等类型。

5.6振动原因判断基本方法

（1）基本思路

利用已有的知识对试验和观察结果进行分析、归纳、比较，然后做出判断：

①分析和判断水力、机械和电磁三者的影响；②和已知的振动实例进行比较；③分析振动部件的振型；④对比各测量值之间的关系；⑤和机组过去的情况比较；⑥分析振动性质；⑦进行进一步试验。

（2）需要注意的主要振动现象

①振动强烈的部件；②振动频率、主频；③振型；④有无共振及异常情况；⑤各个测量值之间的关系；⑥工况的影响。

6水轮发电机组在线监测实施及设备介绍

20世纪90年代以来，以水轮发电机组振动监测和分析为主的系统（包括在线和离线监测）开始在水电厂中实施运用，对运行机组的稳定性监测和故障分析取得了较好的作用，为真正实现水电厂“无人值班、少人值守”的运行方式和由预防性、定期性检修向状态检修转换提供了保证。

6.1实施机组状态检修工程流程

水电厂开展状态检修工作流程由设备、状态监测、诊断分析与判断决策、检修管理、设备检修评估5个递进层次组成，并形成一个有机的闭环系统。其中状态监测、诊断分析与判断决策是整个水电厂状态检修工作的核心部分。也是实施状态检修的技术基础；检修管理、设备检修评估是实施状态检修的关键部分，是状态检修制度的具体体现；流程中的设备系指状态检修工作的对象，以检修工作量大、工期长的水轮发电机组主体为重点。

6.2实施机组状态检修的关键技术

实施水轮发电机组状态检修工作需要研究解决的问题主要包括四个方面：一是机组状态信号的取得；二是机组状态信号分析处理及特征信号的获得；三是对机组运行状态分析诊断和判断决策；四是对机组的检修决策和维护管理。要想机组运行设备达到状态检修的目的，首先需要采用将机组运行设备监测诊断、维护、管理三者集成为一个统一的集成化系统；其次需要合理选择和布置监测点；三要准确判断和处理机组的信号特征；四是确定诊断模式，建立适用的专家系统。

6.3EN8000大型旋转机械振动监测故障诊断专家系统设备

四川省石棉县湾坝河一级水电站选用北京英华达公司研制生产的EN8000大型旋转机械振动监测故障诊断专家系统，该系统是基于计算机和单片机的集散型主从分布系统，可以自动采集、记录和分析与水轮发电机组安全有关的主要状态参数，包括振动、转速、轴位移、胀差、偏心、功率等，快速准确地把握机组的运行状态。整个系统由网络集成，采用积木式模块化结构，是集实时数据采集和处理、在线数据分析和储存、完备的分析功能和故障诊断于一体。它可以及时捕获振动故障原始信息，预告故障的存在和发展。可以成功地捕获机组的振动故障，为保障机组的安全运行和指导机组检修及故障处理发挥着重要作用。

总之，随着计算机技术和人工智能化的迅速发展，水电厂自动化程度不断提高，水电厂运行检修人员的不断减少及运行和检修的分离，缺乏经验的现场人员面对大量的信息往往束手无策。本文通过对水轮发电机组振动的分析和处理方法的介绍，提出和推荐在设备配置上选用机组在线监测系统，它能够解决现场专家不足、减少现场人员判断故障的时间和误操作。为水电厂“无人值班、少人值守”的运行和状态检修方式提供技术上的基础。