水力机组故障测试与诊断
摘要：在理论学习的基础上，基本掌握水力机组测试测试原理，机组振动原因、振动分析、机械振动分析；机组故障故障诊断内容、方法等。分析了当前大型水电机组行状况及其故障原因，并结合电网和水电厂的运行实际，建立相关大型水电机组运行稳定性状态监测及故障诊断系统，为机组稳定分析诊断提供了有效、可靠的依据。
关键词：水电机组 故障诊断 稳定性 相关措施
引言：随着工业生产与科学技术的发展，机电设备越来越精密复杂，自动化水平也相应提高，机组设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也将给人们的生活与生命造成极大威胁。因此，保证大型水电机组的正常安全运行，对其运行状态进行检测，及时发现故障征兆，做到“事前检修”防患于未然是工程界梦寐以求的理想，也是大型电站机组检修的发展方向。
水轮发电机组工作稳定性是其工作性能中的一项重要指标，而存在的稳定性问题又表现为不同形式的振动。因此，对振动的分析就成为研究机组稳定性的重要内客。对那些事关国民经济命脉的基础行业的大型机电设备保证大型水电机组的正常安全运行，对其运行状态进行检测，及时发现故障征兆，做到“事前检修”防患于未然是工程界梦寐以求的理想，也是大型电站机组检修的发展方向。
一、机组故障的概况
故障机理研究、预测及分析技术
故障机理研究是对机械设备进行故障诊断的基础。深入研究机械设备在运动时的动力学特性及各部件之间的相互关系，研究设备正常运行时和发生故障后产生的各种症状与可能性，是对机械设备进行状态监测和故障诊断的前提。理论研究主要有与机械设备相关的振动理论、摩擦理论、空气动力学理论、材料失效理论等。
故障预测是设备诊断的重要任务之一。通过对整个设备的状态变化趋势和维修状况进行分析，计算其残余寿命，可有效确定设备的整个服役寿命和报废时间，为系统的维修、报废和改进设计奠定基础。
预测与分析的策略和方法主要有:基于状态模型的故障预测方法、基于过程的长期预测方法以及集成故障预测系统等。
诊断决策技术
通过对故障进行诊断，可以判明故障的部位，分析故障的原因，提出排除故障的方法，从而可以提高设备维修的可适性和设备完好性，减少设备的金寿命周期费用。
国内外经过多年的发展，提出了模式识别、神经网络、专家系统等诸多诊断决策方法，特别是建立了大量的专用故障诊断专家系统。
电站机组运行设备故障诊断的难题:
水轮发电机组的振动与一股动力机械的振动有较大的差异，引起和影响水轮发电机组振动的原因和因素要比一股动力机械多且复杂，不仅组成系统整体的各部分相互有影响，而且引起机组振动的诸因素间又有相互影响。
二、水轮发电机组振动故障的特点
切机器在运行中，都不可避免地存在着不同程度的振动。和其他动力机械一样，水轮发电机组在运行中，也同样存在着一定程度的振动。但是，由于水轮发电机组工作的特殊性，其振动故障与一般动力机械相比，有较大的差异，具有复杂性、耦联性及故障和特征的非一一对应性。
（一）水轮发电机组振动的复杂性
主要表现在：
1.往往几种振源同时存在，要分清主次及其相互关系很难；
2.既有个别部件或部位振动，又有各部件和部位的耦联振动；
3.既有一般的迫振和共振，又有倍频和自激振动；
4.激振力种类多，各种激振力的组合随机组运行工况(变速无励磁、空载励磁、带负荷、调相等)不同而异。
（二）水轮发电机组振动的耦联性
耦联性表现在不仅组成系统整体的各部分相互影响，而且引起机组振动的诸因素间又有相互影响和制约。如水压力脉动引起的机组轴系的竖向振动，将导致转子轮缘磁轭及磁极的振动，致使发电机转子和定子间的空气间隙不均匀，由此便产生了不对称磁拉力，反过来又会加剧或阻尼机组转动部分的振动。
因此，对于水轮发电机组的振动，除需要考虑机组本身旋转部分或固定部分的振动外，尚需考虑流动液体的动水压力造成的电站引水系统、水轮机过流部件的影响及发电机电磁力对机组振动的影响。
（三）水轮发电机组振动故障和特征的非一一对应性
水轮发电机组振动的故障特征往往有多方而的反映，不同的故障其特征存在着显著的交叉，故障和特征之间并不是一一对应的关系，而且一种故障在特征上有多方面的反映。同时，某一部位的超常振动可能是几种故障的叠加，而某一故障引起的振动也会在几个部位不同程度的反映出来。
水轮发电机组振动的这些特点，综合表现在机组上，便使得人们难以用准确的语言对其振动程度与存在与否进行描述，这无疑给故障分析带来一定困难，这也是水轮发电机组故障诊断技术发展缓慢的一个原因。
三、水轮发电机组振动机理
虽然水轮发电机组的振动具有复杂性和耦联性，但当分析其振动原因时，若完全按其耦合关系来研究，是非常困难的。很难建立可用来进行分析计算的数学模型，即使是在试验中同时考虑这些因索的互相影响也不容易得出结论。因此，我们还是从引发其振动的三个主要因素入手，通过研究其振动机理从中提取有助于解决问题的信息。
水力因素
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种类
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形成原因
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振动特点
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尾水管低频涡带
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水轮机转轮出口水流有一定的圆周分速度。在部分负荷时，在尾水管中形成低频涡带脉动，脉动压力传至各过流部件和结构物，导致各种振动及摆动，有时与管道中水体形成共振或倍频共振等。
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振动强弱与水轮机的运行工况关系较密切，一般产生在导水叶相对开度为35%~60%范围内(或机组出力为额定出力25%~50%)。其振动频一般为：f = ( 1/4 ~ 1/3 )f0;式中f0---机组转速频率。
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水轮机水封间隙不等产生的水力不平衡
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高水头混流式水轮机因止漏环结构型式和间隙组合不当及运行间隙不均匀引起水压力脉动而诱发的机组振动
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振动摆度及压力脉动幅值均随机组负荷和过流量的增加而明显增大。
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蜗壳、导水叶和转轮水流不均引起的振动
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水轮机进水流道、蜗壳、导叶中的不均匀流场均会产生旋涡，形成涡流作用在转轮上从而引起机组振动。
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振动随机组运行工况变化而变化，且时而明显，时而消失。导叶后的不均匀水流对转轮影响很大
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压力管道中水力振动
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水轮机过流部件的水流脉动，有可能与管道中水体自振频率发生共振或倍频共振，
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管道中水体振动荷载传给水轮机，使机组产生或加剧振动。
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卡门涡列引起的水轮机机叶片和导叶振动
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由于脱流引起的。卡门涡列的形成与流体速度和绕体尾部的断面形状和尺寸有关，所以其振动
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其振动频率可表示为：
f = S1 x W1/d
式中：W1为转轮叶片出水口处的水流相对速度； S1为流体力学中的斯特罗哈数d为转轮叶片出水边厚度
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种类
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成因及特征
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大轴弯曲
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在法兰处对接不好，大轴有折线。若导轴承影响大轴自由旋转，迫使大轴弯曲，而将此弹性力传给导轴承和支承结构，从而引起机组振动。主要特征是机组在空载低转速运行时，有较明显振动。
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发电机转子和水轮机转轮质量不平衡
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二者均将产生与大轴垂直的径向离心力。平衡所引起的离心力容易扩大定子和转子间隙的不均匀程度。
机组转动部分质量不平衡引起的振动，其特征是振幅随机组转速变化较敏感，其振幅一般与转速的二次方成正比，且水平振动较大。
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机组转动部件和固定部件的摩擦
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当机组转动部件与固定部件不同心，局部有缺陷，或转轮上水流不对称等，在运行中引起摩擦，从而使转轮周期地推向一侧，引起摩擦扰动。这种振动特征是振动较强烈，并常常伴有撞击声响。
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导轴承瓦间隙大
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轴瓦间隙的大小直接影响轴系统摆度的大小，间隙增大后，轴系统的自振频率(临界转速)也降低。
轴隙增大原因：径向不平衡力较大，异轴承受载过大；轴瓦的支承结构设计不合适，在不平衡力作用下产生较大的弹性或永久变形或变位。
振动特征是振幅随机组负荷变化较明显。
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推力轴承的推力头松动和推力轴瓦不平
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推力头松动时，机组轴系的振动和摆度有下述特点：
1、运行中的动态轴线形状和方位在某一工况下发生突变，而突变将发生而尚未发生的临界情况下，机组的振动和摆度忽大忽小，明显呈不稳定状态；
2、大轴的摆度较大，在其影响下水封中的压力脉动也比较大
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电气因素
机组的电磁振动有两种：转频振动和极频振动。转频振动频率为转频或转频的整数倍，即：
f转 = kn/60
极频振动频率为：
f极 = 3000k/60 = 50k ( k = 1、2、3……)
1、转频振动
大直径水轮发电机组主要振源之一是由于定子内腔和转子外圆间气隙不均匀，在定子和转子间产生不均衡磁拉力，从而对转子和定子形成转频激扰力。
定子和转子气隙不均的原因有：
1）、转子外圆不圆，有的磁极突出；
2)、定子内腔和转子外缘均为圆形，但转子、定子非同心；
3）、转子动、静不平衡；
4）、转子各磁极电气参数相差较大或局部间短路。
转频振动特征是振动随励磁电流增大而增大，且上机架处振动较为明显。
2、极频振动
这种振动随定子电流增大而增大，振幅与电流呈线性关系，且上机架处振动较为明显。
四、振动监测及测点的选择与布置
表征水力机组稳定性运行的参数有振动、摆度及压力脉动，因此这三项是振动监测的主要内容。测点的选择与布置是获取机组运行状态信号的重要环节，直接影响到采集到的信号的真实性、监测系统对机组运行状态评估的准确性和诊断系统诊断结果的可靠性。
竖轴水力机组轴向和径向振动一般分别称为垂直和水平振动。其监测点位置主要有：
1）承重机架的垂直、水平振动(包括机组上、下机架和推力轴承支架的振动)；
2）上、下导轴承水平振动；
3）水导轴承水平、垂直振动；
4）顶盖(或支持盖)垂直振动；
5）发电机定子外壳水平、垂直振动；
6）根据需要测量某些部位如钢管、伸缩节进水阀壳或支架基础等的垂直、水平振动。
压力脉动
即压力随时间变化的量值与其平均值相比，时大时小交替变化的现象。对于水力发电机组来说，主要是过流部件的水压力变化现象。
机组运行中压力脉动监测位置主要有：
1）机组高压侧，如蜗壳、钢管或其他部件压力脉动；
2）尾水管锥管段压力脉动；
3）泄水锥压力脉动；
4）与转轮上冠相对的顶盖内表面、转轮与导叶之问的空间等。
五、水力稳定性有关的因素
（一）额定水头Hr与水力稳定性的关系
从水力稳定性出发，选择额定水头的技术方案有三：
方案一、选择较高的额定水头，使Hmax / Hr ≤ 1.15，机组尺寸较小，台数增加，能满足汛期多发电、枯水期效率高的要求，但投资较大。
方案二、选择较低的额定水头，使Hmax / Hr ≥ 1.35，机组台数减少，水轮机尺寸增大，能满足汛期多发电的要求；但发电机需设最大容量，以增加高水头工况的水力稳定性和负荷调节范围。
方案三、折衷选择额定水头，使Hmax / Hr = 1.15~1.35，水轮机直径，台数基本和方案二一样，发电机仍需设最大容量。水力稳定性较方案二有改善，但汛期电能较方案二减少。
(二) 机组尺寸大小与运行稳定性
机组尺寸增大，单机容量增加，在电站总装机容量不变时可减少装机台数，对枢纽布置和减少工程费用有利。但随着尺寸增大到某种程度，机组部件的相对刚度通常会降低，对安全稳定运行不利。
通常，在正常工况下，转轮叶片出水边靠上冠处的静、动态应力最大，遇到水力共振和过大的低频压力脉动时容易出现裂纹
(三) 尾水管高度与运行稳定性
尾水管高度是水轮机设计重要的决策数据，通常尾水管高度高些，长度长些对水轮机的综合性能有利些，但土建开挖和混凝土浇筑也大些。
(四) 吸出高度Hs与运行稳定性
吸出高度大小与转轮空蚀程度密切相关。运行中吸出高度有较大裕量，对运行稳定有有利的一面，但吸出高度过大则会影响中心孔补气效果，会给稳定运行产生负面影响
(五 )补气与运行稳定性
1、尾水管补气
向尾水管中注人少量空气即可抑制噪声，注人足量的空气，即可抑制空泡产生的冲击压力。但当补气量不足时，有时反而会使旋涡加剧。
为了获得满意的补气效果，补气量必须略大于所需量的最小值。它取决于涡带的形态、淹没深度、补气位置等。这些都必须通过试验来确定。
通常，补气的位置和方法有自然补气和补压缩空气。
2、转轮进口补压缩空气
当真机在部分负荷遇到过大的压力脉动和振动时，可以向导叶后、转轮叶片前补少量压缩空气
运行实践证明，补气确能改善水轮机的运行稳定性运行实践证明，补气确能改善水轮机的运行稳定性
六、研究设备状态监测与诊断技术的意义在于:
（1）通过状态监测掌握机组的运行状态，分析其运行规律，并预测设备可能存在的隐患。
（2）通过故障诊断系统及早发现设备所存在的缺陷和故障，对运行设备有针对性的维护，实行状态检修。
所以对大型水电站进行设备的运行状态监测及故障诊断技术研究是十分迫切的，也有着非常广阔的应用前景。
结语：
水电机组设备庞大、结构复杂、诱发故障的原因很多。其常见故障有：①机组轴承故障；②机组振动故障(根据振动诱发原因，水电机组振动大致可分为机械振动、水力振动、电气振动)；③水轮机汽蚀与泥沙磨损；④水轮发电机故障。本文主要讨论的是有关振动方面的影响对于大型机组的运行过程中如不能及时发现故障，不仅会带来经济上的损失、人力上的浪费，而且还有可能引发灾难性的事故。当前正朝着“无人值班(少人值守)”的管理模式发展，提高水电厂的安全经济运行管理水平和综合自动化程度，机组运行设备状态及其稳定性对电厂、电网的安全经济运行至关重要。及早发现设备存在的隐患和缺陷，有针对性地进行设备的维护保养，实施预测性检修体制，加强管理，将给电厂及电网带来显著的经济效益和社会效益。
参考文献
1、《机组测试与诊断技术》教材：自编讲义，郑源，2006
2、水力机械，水力机械情报网，北京，中国电力出版社，2007
3、土木工程网www.civilcn.com/
4、水力机组现场测试手册，湖北省电力试验研究所出版 1986年