水电机组振动监测传感器的选用

水电机组振动监测传感器的选用

秦世凯

（四川兴鼎电力有限责任公司四川省623500）

摘要：水电机组的振动测量对监测水电机组正常运行有着至关重要的意义。水电机组振动情况较为复杂，存在不同频率的振动。本文主要讨论如何根据水电机组振动特性，选用合适的振动传感器进行测量，并对选用加速度振动传感器测量水电机组低频振动得到的不良测量结果进行了实例理论分析。

关键词：水电机组；振动；低频；传感器

引言：在水电机组运行中，振动是比较常见的现象。如果振动较大，将在很大程度上影响机组安全运行。所以，振动大小是机组运行性能的重要评定指标。水电机组是一个由水力、电气设备以及机械共同组成的系统，既有对位移量比较敏感的故障，又有对速度以及加速度量比较敏感的故障，所以在选择传感器时，应充分了解水电机组的振动频率特征，根据不同的故障类型、机组的测量部位，针对不同信号源来进行传感器的选用。

1水电机组振动监测与故障诊断系统构成

1.1实时监测

在系统的实施监测模块中，主要是对测点的分布情况、数据采集、实时显示等方面进行监测。在测点的布置方面，需要选择一些较为典型的测点，不但要考虑到监测机组中的最大振动、摆动部位等，还需要体现出机组的工作量、工作情况等环境参数，为后续的故障推测提供极大的便利。在水电机组的运行中，可能会受到现场较强的电磁波影响，使测量出的摆度、振动等结果受到干扰信号的影响，使其准确性产生不利影响，对此，需要对信号滤波中的干扰信号进行过滤。

1.2信号分析

对振动信号进行分析主要包括频域、时域、时差域、空间几个方面。在频域方面，对整个周期的数据进行采集，使FFT进行变换，通过频谱分析的下限要求，能够得出低频的水力因素；通过频谱分析的上限要求，能够得出高频电气因素。在时域信号方面，通过对实时数据变化图进行显示，能够对部分数据进行分析和统计。在时差域方面，通过对变量之间的变化情况进行描述，能够对自变量产生的影响进行分析，因此在一定程度上能够反映出故障产生的原因[1]。在相位分析方面，主要包括不同测点之间信号产生的相位差以及单个测点信号在不同的时间变化下产生的相位差。

1.3故障诊断

在人工智能领域当中，专家系统属于其中活跃度较强的部分。在监测系统当中，规则库与推理机二者处于相互分离的状态，也就是一旦某个专业的数据库或者推理机制被建成以后，该系统便能够对该领域中的不同情况进行处理，只需要对相应的知识元进行修改即可，其它推理机制可以不随之发生改变[2]。由此展示出系统具有强大的灵活性与适应性。主要的推理步骤为：首先，专家系统通过数据库查找到故障征兆，将数据转变成便于推理机理解的参数，主要包括均值、偏度、方差、峭度、频率分量值等，然后利用正反双向混合的方式进行推理，按照前提条件进行推理，如若推测出的结论不具备确定性，考虑到运行中的历史特征，也就是对历史数据进行调用。例如振动振幅能够随着转速的改变而发生相应的改变，然后在逐步向下推理，如若得出的结论不正确，需要将一些用户信息补充其中。例如将轴心轨迹图的形状补充其中，以此来完善推理过程，直至最终得出故障产生的原因。

2传感器的选用

对振动信号幅值的测量有不同的方法，一般为位移测量、速度测量以及加速度测量。工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。常用单位为：微米（μm），毫米/秒2（mm/s2），或重力加速度（g）。位移、速度以及加速度对频率的敏感度所有不同，如图1所示。

图1位移、速度以及加速度传感器对频率的敏感度

从图1中可用看出，对于低频（低于5Hz）振动，位移是最好的振动监测量，这是因为加速度与积分后位移关系为：

式中

a0——加速度值，g；

A——位移值，mm；

ω——角速度，rad/s；

V——线速度，m/s；

f——频率，Hz。

在低频时机组最有可能发生的是应力故障，一般为机组轴线弯曲所导致的故障，加速度数值通常很小，位移值则较为明显。在中频段，由于频率的放大作用，很小的位移值也会产生很大的速度值，而振动所产生的能量，与振动的速度相关，能量的传导会造成部件疲劳及损伤，此时再用位移峰峰值来评价机组运行状况，将失去对机组的保护意义，因此在中频段建议采用速度值来评价机组运行状况；同样的幅值下，振动的频率越高，振动的加速度值也就越大，当频率到达一定高度时，即便是非常小的位移也会使机组受到过度力的作用从而引起机组故障，对于高频信号加速度无疑是最好的振动监测[3]。

3实例分析

由于振动位移和静位移、转子轴线的线性偏差等具有共同的特征和单位，同时低转速水轮发电机组振动，主要振动成分为低频振动。根据上文所述，对低转速水轮发电机组而言一般情况下都是采用振动位移来作为振动评价参数，用以监测保护机组正常稳定运行。浙江某电厂振摆保护及在线监测系统使用加速度传感器测量机组振动加速度，再通过二次积分将测量到的加速度信号积分为位移信号。系统运行期间发现2号机顶盖Z向垂直振动，3号机顶盖Z向垂直振动出现测值不稳定、偶尔会有跳变、测值偏大等问题。当振幅为100μm时，以该厂电厂为例，机组转速为71.4r/min，转频为1.19，转换成加速度为0.00057g。加速度值很小，而实际振幅已经很大。而当测量振动频率f较小时，积分会对低频加速度分量幅值放大。根据上文所述，水电机组的振动信号，以低频分量为主，因此容易造成积分器饱和。此外，虽然电厂所采用的进口加速度传感器灵敏度可达500mV/g，机组转速为71.4r/min，转频为1.19。转换为位移的灵敏度为0.051mV/μm，而一般位移型振动传感器的灵敏度至少为5mV/μm。信噪比远远高于加速度传感器，近一步导致测值跳变以及测值偏大等问题。因此加速度传感器的输出方式及原理，决定了加速度传感器不太适用于测量以低频分量为主的低转速水轮发电机组顶盖部分振动[4]。为了解决由积分饱和及信噪比过低带来的测值跳变问题，增强系统稳定性，振摆保护及在线监测系统厂家将加速度传感器更换为位移型传感器，以2号机组顶盖Z向垂直振动为例，更换后波形变稳定。对机组全厂振动数据对比[2]。从2号机组2个月的全厂振动数据比较看，经过更换振动传感器后，振摆在线监测及保护系统解决了振动测值偏大以及测值跳变等问题，且2号机组顶盖Z向垂直振动与其他顶盖部位的振动数据相近，而更换前顶盖Z向垂直振动数据是其他顶盖部位的振动数据的8倍左右。

结束语

水电机组是一个由水力、机械和电气设备构成的复杂系统，即振动可能由水力因素、电气因素或机械因素引发，不同部位的振动有其特有的幅频特性。因此，需综合考虑测量水电机组机架、定子铁芯、定子基座、顶盖等部位的振动信号传感器的选用。水轮机顶盖部位的振动最低可以达到转频的1/6，因此选用位移型传感器，以振动峰峰值来评价机组运行状况，可得到准确、稳定的测量结果。对于电气因素引发的中频以及高频振动，则使用速度值或加速度值来作为评价依据更为全面。

参考文献：

[1]张策，乔木，栾春林，等.水电站机组振动测量监测方法：，CN104330149A[P].2015.

[2]王塞北.浅谈基于LabVIEW的水电机组振动状态监测设计[J].科学技术创新，2015（34）：18-18.

[3]汤宝平，罗雷，邓蕾，韩延.风电机组传动系统振动监测研究进展[J].振动.测试与诊断，2017，37（03）：417-425+622.

[4]周继威，张波，王栋，张林.风电机组综合状态在线监测与远程诊断中心的建立[J].中国电力，2014，47（03）：19-23+32.