作（zuò）者：程人傑　王春（chūn）光　楊洪（hóng）源

　　當前，麵（miàn）對風能行業機組運維成本過高的問題，風電場（chǎng）業（yè）主和整機廠（chǎng）商都在尋求技術解決方案。該問題的背後包（bāo）含了機組部（bù）件的工作穩定性差，故障頻發，需要經常檢修甚至更換等因素，也（yě）包含了在一個風電場內部，需要檢修的機組不能提前預知，經常是機組故（gù）障停（tíng）機之後再（zài）去進行故（gù）障排查的被（bèi）動情況。
　　如果能（néng）利用在（zài）線監測係統，實時監（jiān）控機組的運行情況，通過監測數據較（jiào）早評估機組的工作健康狀態，可以提前安排每台機組的檢（jiǎn）修時間，及時準備備件，合理協調運維計劃，從而減少停機時間（jiān），提（tí）高發電量，降低風電機組運（yùn）維成（chéng）本。

　　一、發電機振（zhèn）動和噪聲源分析
　　1.發（fā）電機電磁激勵振動噪聲
　　電磁噪聲是風電機組的主要噪聲之一，在多極數的風電（diàn）機（jī）組中，電磁噪聲顯得（dé）比較突出。一（yī）般情況下隨著發電機功率的增大而增加。電磁噪聲與發電機的電磁（cí）設計參數密切相關，如果（guǒ）設計不當，電磁噪（zào）聲將會（huì）十分顯著（zhe）。因此，通過（guò）電磁參數的設（shè）計及工藝處理，研究降低電磁噪聲的措施是非常必要（yào）的。
　　2.機械振動噪聲
　　機械振動（dòng）噪聲主要包括軸承噪（zào）聲，轉子不（bú）平衡噪聲及碳刷與集電環（huán）摩擦所引起的噪聲。
　　軸承通（tōng）過（guò）振動噪聲：滾動軸承由軸承內圈，滾珠，滾珠保持架和軸承外圈組成（chéng）。軸承外圈不轉動，軸（zhóu）承內圈和（hé）轉子一起旋轉，而（ér）滾珠在軸承內圈的滾道和（hé）軸承外圈的滾（gǔn）道及保持架中滾動旋轉，保持架又被滾動旋轉（zhuǎn）著的（de）滾珠帶動（dòng）旋轉。因此，軸承內外圈滾道中的波（bō）紋、凹坑（kēng）、粗糙度，潤滑脂質（zhì）量的優劣（liè）和安裝誤差均（jun1）是產生軸承噪聲（shēng）的關鍵因素。
　　轉子不平衡引起的振（zhèn）動噪聲：高轉（zhuǎn）速（sù）電機的轉子必（bì）須嚴格地進行動平衡檢驗，以減少轉子殘餘（yú）不（bú）平衡量，轉子不平衡噪聲的頻率等於轉子旋轉頻率。雖（suī）然頻率不高，一般在400Hz以下，但（dàn）由於引起電機振動，從而使各部分的（de）噪聲增大。當轉子的動平衡（héng）精度達到G2.5級時，轉子不平衡所引起的噪聲和振動都能顯著得（dé）到改善。
　　碳刷與集（jí）電環摩擦（cā）的振動（dòng）噪聲：由於碳刷壓（yā）在旋轉的集電環上，如果碳刷的材質和集電環的使用不能匹配，這時碳刷和集電環之間可能會產生氣墊，會產生鳴音。
　　通風振動噪聲：通（tōng）風噪（zào）聲（shēng）主（zhǔ）要由於風扇轉動（包（bāo）括發電（diàn）機轉子風扇，冷卻器風扇，集電環冷卻器（qì）風扇），使空氣流（liú）動、撞擊、摩擦而產生。噪聲大小決定於（yú）風扇的（de）大小、形狀（zhuàng）、電機轉速高低和風阻風路等情況（kuàng），風扇直徑越大，噪聲越（yuè）大，減小風扇直徑10%，可以（yǐ）減（jiǎn）少噪聲2dB－3dB，但（dàn）隨之冷量也會減少。當葉片邊緣與通風室（shì）的間隙過（guò）小，就會（huì）產生笛聲。如（rú）果葉片形狀與風刷的結構不合理，造（zào）成渦流，同樣（yàng）也會產生噪聲。由於風扇剛度不（bú）夠，受氣流撞擊時發（fā）生振動，也會增加噪聲。此外，轉子（zǐ）有凸出部分，也會引起噪聲。

　　二、聲發射與振動測試技術
　　1.聲發射（shè）測試技術
　　材料中局部（bù）區域應（yīng）力集（jí）中，快速釋放能量並（bìng）產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE)，有時也稱為應力波發射。材料在應力作用下的變形與（yǔ）裂紋擴展，是結構失效的重要機製。這種直接與變形和斷裂機製（zhì）有關的源，被稱為聲發射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃（rán）燒等（děng）與變形和斷裂機製無（wú）直接（jiē）關係的另一類彈性波源，被稱為其它或二次（cì）聲發射源。利（lì）用這（zhè）種“應（yīng）力波（bō）發射”進行的（de）無損檢測，具有其他無損（sǔn）檢測（cè）方法無法替代的效（xiào）果。

聲發（fā）射測（cè）試係統

　　發射（shè）檢測過程可以歸納為（wéi）：從聲發射源發出的信號經介質傳播後到達換能器，由換能器接收並輸出電信號，根據這些（xiē）電信（xìn）號處理分析對聲發射源做出正確的解釋。
　　聲發射的產生由於材料中局部區（qū）域快速卸載使彈性能得到釋放的結果。如（rú）果固體中所有的點在同一時間收到同一機械力作用，那麽這（zhè）個物體（tǐ）在時間和空間上將同時發生運動（dòng）變（biàn）化，這個物（wù）體作為一個整體而運動（dòng），這個過程就不（bú）會產生波的過（guò）程，隻有在局部作用時，物體各部分有速度變化，才出現波的過程。聲發射（shè）源快（kuài）速卸載的時（shí）間決定聲發射信號的頻譜，卸載時間（jiān）越短，能量釋（shì）放速度越快，聲發射信號的頻譜（pǔ）擴展的越高。能量釋（shì）放的速度取（qǔ）決於（yú）聲發射源的機製。理論計算表明，不同的材料和不同的聲源機構，聲發射信號的頻率分量（liàng）可以從次聲頻擴展到50MHz的超聲頻。
　　2.聲發射測試設備
　　聲發射測試（shì）設（shè）備包括傳感器，數據線（xiàn），數據采集終端，數據處理軟件。由於聲發射信號需要對機械部件（jiàn）進行長期不間斷的測試（shì），同時（shí）相較於振動信號，有采樣頻率高等優勢，詳細特點對比見表。本研究選用美國物理（lǐ）聲學公司研發的聲發射測（cè）試傳感器，該傳感器可以同時（shí）采集機械結構表麵的振動和聲發射信號。

表聲發射信（xìn）號與振動（dòng）信號特點（diǎn）對比

聲發射/振動一體傳感器

　　三、發電機在線監測係（xì）統（tǒng）設計（jì）

　　目前（qián）常見的風電機組在（zài）線監測主要實時監測機組各個（gè）測點的振動信息，並對測試數據進行處理，依據設定的（de）振動（dòng）報警閥值來進（jìn）行機（jī）組工作狀態分析。本研究力圖將機組聲發射/振動數據信（xìn）息與（yǔ）外部工作條件信息（如風速、風向（xiàng）等SCADA監測信息）相結合（hé），共同作為振動故障判（pàn）斷的依據。此方法的優勢在於可以區別機組（zǔ）在（zài）不同工作（zuò）狀態下的振動（dòng）烈度，減少機組振動（dòng）報警和故（gù）障誤（wù）判的機率。

在線監測係統功能概覽

　　1.監測係統架構

　　對於單個風電機組的（de）發電機，在（zài）線監測係統設計包括（kuò）：聲發射/振動一體傳感器，數據傳輸線，數據采集終端（duān），數據處理軟件。主要（yào）采集傳動係統（tǒng）和發電機前後軸承處的聲發射/振動信號，發（fā）電機的接地電壓等（děng）信號。

　　對（duì）於某風電場（chǎng），采（cǎi）用分（fèn）層的管理架構對（duì）每一台機組進行實時的狀態監控和（hé）故障診斷。

某風電場監測體係

　　2.監測係（xì）統工作原理

　　本監測（cè）係統主要實時測試布置在（zài）風電機組發電機前後軸承座表麵（miàn）的聲發射和振動數據。對於聲發射數據，通過時域信號特征參數統計的分析（xī）方法記錄下每一時刻的測試結果，在一個較長的監測周期內進行趨勢分析（xī），確定發電機前（qián）後軸承的健康狀況，提早發現發電（diàn）機內部損傷。對於振動數據，通過頻域信號（hào）處理分析確定振動幅值是否（fǒu）超過相關標準要求，並結合機組當前工（gōng）作狀態，判斷下（xià）一步需要進行（háng）的動作。

監（jiān）測係統工作原理

　　經過對風電機組發電機狀態的長期監測，Z終形成（chéng）一個完整機組（zǔ）部件故障數據庫，為進一步采（cǎi）用FEMA故障診斷方案確定發電機故障來源奠定基礎。

　　3.監測係統數據管理與分析（xī）

　　監測係統的數據處理包括數據管理（lǐ）部分與（yǔ）數據分析程序，其中數據管理（lǐ）涉及程（chéng）序管理和權限管理功能，數據分析程序（xù）主要對測試數據進行時域特征參（cān）數統計和（hé）頻域分（fèn）析處理，利用分析結果（guǒ），與相關標準和機組當前工作信息一起，對機組發電機健康狀（zhuàng）況進行識別。

監測係統數據處理程（chéng）序結（jié）構

　　結語

　　對風電機組發電（diàn）機進行實時在（zài）線監測，及時掌握（wò）發電機的健康狀態，是進（jìn）行有效（xiào）運維的前（qián）提。本文利用聲發（fā）射信號和振動信號監測相結合的方（fāng）法，設計了風電機組發（fā）電機在線監（jiān）測係（xì）統技術方案，進一步將通過現場試驗來評估該係（xì）統的工作可靠性。

（來源：聲（shēng）振之（zhī）家）