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摘要：风力发电机组易发生复杂多变的故障问题以及难以统一信号的监测技术难题，对此，本文将对风力发电机组振动监测的超标问题进行研究，以期为业内同仁提供些许借鉴。
关键词：风力发电机，状态监测，振动测试，故障诊断
近年来，风力发电机组振动状态在线监测技术在风电场发挥的重要作用越来越得到人们的重视。在线振动监测系统可以及时发现风力发电机组故障的早期振动征兆，揭示故障的原因、程度、部位、发展趋势等，便于风力机维护，避免和减少重大事故的发生，节约成本。
1风力发电机组的分类及构成
风力发电机组是由将风能转化为机械能的风力机和将机械能转化为电能的发电机构成的。其分类依据主要是驱动发电机的方式，大型兆瓦级风力发电机组主要分为双馈型风力发电机组和直驱型风力发电机组，其中双馈型风力发电机组是国内运行数量最多的风力发电机组，其结构较为复杂。
风力机主要由风轮、主轴、齿轮箱、控制器及附属设备组成。风轮是获取风能的装置，主要由叶片、轮毂和变桨系统构成；主轴是风力发电机组传动系统的主要部件之一，其主要作用是将转化成机械能的风能传递至齿轮箱；齿轮箱的作用就是增速，利用低速机械带动高速发电机转动，齿轮箱的高速轴通过联轴器直接与发电机相连，带动发电机工作。发电机部分由发电机及其附属设备构成，安装在塔筒支撑的机舱内，其主要功能是把传入其中的机械能变为电能，然后通过逆变器调节后并入电网。
2风力发电机组振动监测介绍及超标原因分析
以2WM风电机组作为研究对象，当风速达到3m/s左右，以切入风速实现风机初次并网，风速达到9m/s左右发出额定功率，当风速达到22m/s时切出停机。随着风速的变化，风机状态改变较大，且极不稳定，因此，在监测过程中机组本身固定一些永久性监测点的难度较大，通常在机组外部加装一些监测点。振动监测通常利用测量轴系各支撑点的瓦振，再借助速度传感器得到瓦振的振动速度幅值、相位，或者进行积分得到瓦振的振动位移幅值、相位。基于此完成振动数据的采集和振动标准的拟定。其中VDI3834标准是被国内外大多数知名企业所接受的风机振动评测标准，见表1。其中，评估参数位于区域A为风电机组及其组件适合在其振动载荷下连续运行，区域B为不适合持久性地运行，区域C为危险区域，当机组各主要部件振动程度低于区域界线A/B标准值时，表示振动状态良好；振动程度高于区域界线B/C标准值，表示振动处于危险区域；振动程度处于两边界值之间时，表示振动处于报警区，不宜长期连续运行。
表VDI3834-1振动烈度限幅表
单位：mm/s
风电机组在运转中，产生振动过程的监测超标问题，一是因为风机本身工作环境恶劣且结构复杂使轴承和齿轮箱等关键部件极易受到破坏、产生故障；二是与电机弹性支撑的选定以及监测标准的设定数值有关。
针对风机本身的问题，依据近年来的相关统计，在风电机组振动超标的所有故障中，齿轮箱和轴承的故障率占总权重的近80%，分析其故障产生的可能性因素，首先是变载荷的重载状态下，齿轮箱、轴承等关键部件在运转过程中会产生大量热量，容易造成润滑剂温度过高发生失效，进而导致轴承、齿轮箱等部件产生故障。其次设计制造上的缺陷也是导致故障产生的重要因素，由于轴承、齿轮等部件在承载能力设计过程中，一般不是取实际运行的经验数据，而是按照常规标准，造成厂商选用的应用系数普遍偏低，再加上实际运行过程中风载荷的不稳定性，使得理论设计值与实际要求值存在一定偏差，容易引发机组故障。此外，油液泄漏、轴不对中、断齿、断轴等都会引起振动超标、机组故障，必须根据反馈数据，具体问题具体分析。针对电机弹性支撑的选定以及超标标准的设定问题，主要是由于企业标准设定环节缺乏足够的实验检验，往往采用常规数据，没有针对具体风场、温度、气候进行有效的数据规整。这些需要相关企业在设计制造、检验检测环节进行大量的风机试验、数据处理，而我国风电产业起步较晚，实验检测水平较低，相关制度仍不完善，风电厂商在这些方面还存在很大欠缺，再加上监测设备主要依靠进口，在数据标准的设定上仍需要进行很深入的探究。
3风力发电机组振动测点布置及传感器选择
通过对风力发电机组和振动监测设备现场工作情况的具体分析，在前后轴承、齿轮箱齿轮和发电机等部位较容易出现振动超标，产生设备故障。考虑到风机运转的具体情况及测试的方便性，将振动传感器主要布置在主轴、齿轮箱和发电机上。以2MW风电机组作为研究对象，在主轴监测布置中，因为机组整体一般为单主轴承结构，主轴自身只承载少量的轴向推力，发生故障时的特征主要表现在径向上，因此在主轴承上安装一个径向振动传感器即可达到监测目的。齿轮箱齿轮监测主要考虑齿轮箱与高速轴联接的斜齿齿轮结构，在运行过程中会产生连续的轴向推力，因此，不仅要在高速轴轴向部位安装传感器实现对轴不对中问题的监测，而且还应在发电机驱动端轴向部位加装一个传感器提升监测效率。除此之外，在发电机两端径向位置布置的传感器监测到明显的转频信号后，驱动端轴向传感器监测的频谱图也可以有效地完成对转子弯曲或者转子不平衡故障的监测。
主要轴承和齿轮箱输入轴的频率范围0.5～1.0HZ，故采用低频加速度振动传感器，其灵敏度为500mV/ｇ，频率范围为0.1～3000HZ。齿轮箱中间轴和输出轴、发电机的输入轴和输出轴旋转频率比主轴旋转频率高50～60倍，故要使用通用型加速度传感器，其灵敏度为100mV/ｇ，频率范围为0.5～15000HZ。
4振动信号通讯及处理
各测点的振动信号通过电缆传递到CMS系统的数据采集装置中，数据采集装置对数据进行存储并通过光纤环网将振动信号和状态信号传递到中控室的现场服务器中。为了降低CMS的成本，CMS系统往往挂在远程控制系统（SCADA）的局域网上，这就要求CMS系统传输数据时要将每秒的流量控制在一定的范围内，一般在十几Kb至几百Kb之间以免影响SCADA系统的正常通讯。振动信号的分析主要依靠安装在现场服务器上的振动分析软件以及远程诊断中心。现场服务器及时有效的保存好故障振动信息，并能够实时显示各风机通道的时域和频域信号，便于风场管理人员掌握风机工作状态。远在异地的诊断专家和管理员可以通过Interne网络访问现场服务器，随时随地掌握风力发电机组运行状态，并对故障信息进行分析判断，实现远程专家会诊，提出故障原因及解决办法。
风力发电机组状态监测和故障诊断系统能够及时、准确地对机组的各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，避免重大事故的发生，保证风力发电机组安全，可靠。同时，企业根据振动状态监测与故障诊断系统的预警信息，对风机组及时检查维修，能避免突发性故障造成的损失。目前，状态监测系统如果发现某些测量点的数值超出报警限值，也仅能做出一个早期故障的判断，而对于故障的具体来源及原因便无从得知，这是今后在线监测和故障诊断系统设计时应该解决的问题。
参考文献
[1]刘明先.风力发电机组振动监测技术应用与实践[J].应用能源技术，2016(11).
[2]王志伟.风力发电机组振动监测技术的应用分析[J].科学与财富，2017(16).