水電機(jī)組振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)
——基于B&K實(shí)驗(yàn)臺(tái)與PULSE分析系統(tǒng)

曹 斌，姚 澤，徐廣文(.廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 50080；. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 50080)

為深刻吸取“薩揚(yáng)事故”慘痛教訓(xùn)，國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)于2010年1月下發(fā)了《關(guān)于吸取俄羅斯薩揚(yáng)水電站事故教訓(xùn)，進(jìn)一步加強(qiáng)水電站安全監(jiān)督管理的意見》一文。該文中針對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)及運(yùn)行穩(wěn)定性問題提出了以下意見：加強(qiáng)水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)，大中型水電機(jī)組應(yīng)安裝機(jī)組在線監(jiān)測(cè)裝置，要重視并加強(qiáng)主要機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，尤其要加強(qiáng)機(jī)組振動(dòng)、擺度等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、記錄和分析。對(duì)于機(jī)組振動(dòng)、擺度突然增大超過標(biāo)準(zhǔn)的異常運(yùn)行情況，應(yīng)當(dāng)立即停機(jī)檢查，查明原因和處理合格后，方可按規(guī)定程序恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行。

水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要通過對(duì)表征機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的各參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其運(yùn)行狀態(tài)與機(jī)械、電氣、油、氣、水等都有直接關(guān)系[1,2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水輪發(fā)電機(jī)組約有80%的故障或事故都在振動(dòng)信號(hào)中有所反映，而振動(dòng)傳感器作為信息采集系統(tǒng)的首要部件，是水電機(jī)組開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的基礎(chǔ)[3-5]。由于振動(dòng)傳感器工作于強(qiáng)振動(dòng)沖擊、高溫及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下，極易引起傳感器性能惡化或損壞，從而影響振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的可靠性。因此，定期對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，保證振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)電廠高效安全運(yùn)行的必要條件[6]。

1 振動(dòng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院振動(dòng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的3629型比較法振動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)實(shí)物圖見圖2。該系統(tǒng)硬件包括4808中頻便攜式標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、APS-500超低頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、2719功率放大器、3560C多通道信號(hào)發(fā)生器及分析系統(tǒng)、8305標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)配2692電荷放大器、7290A-10標(biāo)準(zhǔn)低頻加速度計(jì)配2697A差分放大器。該系統(tǒng)的硬件部分除校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)及標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)外，其他部分均達(dá)到高度集成化與數(shù)字化，系統(tǒng)軟件采用配套的7700-N2雙通道噪聲和振動(dòng)分析軟件，整套系統(tǒng)最低校準(zhǔn)頻率可達(dá)到0.5 Hz，最高校準(zhǔn)頻率達(dá)到2 kHz。整套系統(tǒng)目前處于國(guó)際先進(jìn)水平，并通過了中國(guó)計(jì)量科學(xué)院的檢定。

2010年5月比較法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置(中頻)完成了建標(biāo)工作，并獲得了南網(wǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書，并于2014年3月完成了標(biāo)準(zhǔn)復(fù)查工作。證書號(hào)為〔2014〕 南網(wǎng)量標(biāo) 熱證字第A011號(hào)。系統(tǒng)的測(cè)量范圍：頻率20～2 000 Hz；加速度1～80 m/s2，不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)為2.0%(k=2)。

2014年8月比較法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置(低頻水平方向)完成了建標(biāo)工作，并獲得了南網(wǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書，證書號(hào)為〔2014〕 南網(wǎng)量標(biāo)熱證字第A012號(hào)。系統(tǒng)的測(cè)量范圍：頻率1～100 Hz；加速度0.5～30 m/s2，不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)為2.4%(k=2)。

圖1 振動(dòng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of standard measurement device for vibration

振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)方法分為絕對(duì)法和相對(duì)法，絕對(duì)法主要應(yīng)用于量值傳遞和少數(shù)對(duì)精度要求較高的計(jì)量機(jī)構(gòu)[7,8]。該裝置采用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組與被檢傳感器或測(cè)振儀直接比較的方法。即將標(biāo)準(zhǔn)裝置傳感器和被檢傳感器或被檢測(cè)振儀的傳感器背靠背剛性地安裝于同軸線的臺(tái)體中心，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)發(fā)生裝置的振動(dòng)頻率和振幅，同時(shí)讀取振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的示值和被校儀表的示值，通過比較二者示值，對(duì)振動(dòng)傳感器或工作測(cè)振儀進(jìn)行校準(zhǔn)或檢定。

圖2 振動(dòng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of standard measurement device for vibration

2 水電廠振動(dòng)擺度傳感器檢定情況分析

從2011年開始，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院陸續(xù)對(duì)粵電集團(tuán)下屬的新豐江水電廠、楓樹壩水電廠、青溪水電廠、蓬辣灘水電廠機(jī)組安裝的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的振動(dòng)、擺度、鍵相及抬機(jī)量傳感器進(jìn)行了檢定。在檢定過程中發(fā)現(xiàn)了大量的問題，既有傳感器本身存在的問題，也有傳感器選型方面存在的問題。

傳感器是感受物體運(yùn)動(dòng)并將物體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的一種靈敏的換能元件。傳感器的線性度、重復(fù)性、回差(或稱遲滯)及靈敏度是衡量傳感器靜態(tài)特性最重要的幾個(gè)指標(biāo)。傳感器性能優(yōu)劣或損壞與否，可以通過幅值線性度曲線和頻響曲線反映出來[9]。

2.1 電渦流位移傳感器檢定

國(guó)標(biāo)對(duì)各種傳感器都有相應(yīng)的檢定規(guī)程。依據(jù)JJG 644-2003《振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》對(duì)電渦流位移傳感器進(jìn)行檢定，對(duì)于電渦流位移傳感器計(jì)量性能如下，參考靈敏度校準(zhǔn)的不確定度為3.0%，頻率響應(yīng)0～5 000 Hz范圍內(nèi)為0.5 dB，幅值線性度為±10%。

對(duì)于測(cè)量中用支架固定的傳感器，在檢定中要用適合的支架將被檢傳感器固定在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面垂直方向上的合適位置，并確保支架及傳感器非活動(dòng)部分與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體之間不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；對(duì)于測(cè)量中不用支架固定，可直接安裝在被測(cè)振動(dòng)體上的傳感器，在檢定中應(yīng)將被檢傳感器剛性地安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。

2.1.1電渦流位移傳感器頻率響應(yīng)的檢定

在傳感器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，均勻地選取不少于7個(gè)頻率值(包括上、下限值)，在保持振動(dòng)臺(tái)位移恒定的情況下，測(cè)量各頻率點(diǎn)傳感器的輸出值，并計(jì)算出各點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移靈敏度。然后按下式計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)靈敏度與動(dòng)態(tài)參考靈敏度的相對(duì)偏差：

式中：δfi為第i個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度與動(dòng)態(tài)參考靈敏度的相對(duì)偏差；sdi為第i個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度；sd為動(dòng)態(tài)參考靈敏度。

頻率響應(yīng)是保持傳感器振動(dòng)輸入量不變的情況下，其輸出量隨頻率變化的關(guān)系，理想的傳感器頻率響應(yīng)曲線是一條與頻率軸垂直的直線，但實(shí)際應(yīng)用中的傳感器在低頻和高頻部分常常表現(xiàn)出上凸或下凹的現(xiàn)象。

楓樹壩水電廠采用德國(guó)申克IN-081型一體化電渦流位移傳感器，靈敏度4 mV/μm，頻響范圍0～20 kHz，量程范圍0.2～4.2 mm；廣東粵電青溪發(fā)電廠采用廣州精信JX70一體化電渦流位移傳感器，靈敏度8 mV/μm，量程2 mm。表1為申克IN-081與精信JX70電渦流位移傳感器頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

表1 IN-081與JX70頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Frequency response of the IN-081 and JX70

圖3 IN-081與JX70頻率響應(yīng)曲線Fig 3 Frequency response curve of the IN-081 and JX70

2.1.2電渦流位移傳感器動(dòng)態(tài)幅值線性度檢定

在傳感器的頻率范圍內(nèi)選取某一實(shí)用的頻率值，并在校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)可達(dá)到的振動(dòng)位移幅值內(nèi)選取5個(gè)位移值進(jìn)行激振．分別測(cè)量各位移點(diǎn)的傳感器輸出值和振動(dòng)臺(tái)的位移幅值，計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)傳感器的動(dòng)態(tài)位移靈敏度，然后按下式計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)靈敏度與動(dòng)態(tài)參考靈敏度的相對(duì)偏差：

式中：δdri為第i個(gè)位移點(diǎn)的動(dòng)態(tài)靈敏度與參考靈敏度的相對(duì)偏差；sdi為第i位移點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移靈敏度；sd為動(dòng)態(tài)參考靈敏度。

動(dòng)態(tài)幅值線性度是指在確定的頻率下，傳感器的輸出隨振動(dòng)輸入的變化規(guī)律，理想線性度曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。表2為申克IN-081與廣州精信JX70位移傳感器動(dòng)態(tài)幅值線性度測(cè)試結(jié)果，線性度曲線如圖4所示。

由圖3、圖4所顯示的傳感器性能曲線可知，申克IN-081與廣州精信JX70位移傳感器均具有良好的性能，可繼續(xù)用于水電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

表2 IN-081與JX70線性度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test result of linearity of the IN-081 and JX70

圖4 IN-081與JX70幅值線性度曲線Fig 4 amplitude linearity curve of the IN-081 and JX70

2.2 振動(dòng)速度傳感器檢定

依據(jù)JJG 134-2003《磁電式速度傳感器檢定規(guī)程》對(duì)速度傳感器進(jìn)行檢定。速度傳感器計(jì)量性能要求為：參考速度靈敏度不確定度為3%，頻率響應(yīng)為±10%，幅值線性度為±5%。

將標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和被測(cè)傳感器背靠背剛性地安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心(或肩并肩安裝，但要使其感受相同的振動(dòng))，在被測(cè)傳感器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)選取某一實(shí)用的頻率和速度值進(jìn)行正弦激振，其被測(cè)傳感器的輸出電壓值與所承受的振動(dòng)速度值之比為該傳感器的參考速度靈敏度。

新豐江水電廠所采用的北京豪瑞斯MLS-9型低頻磁電式速度傳感器，靈敏度為5 mV/μm，量程范圍±0.5 mm，頻響范圍0.5～80 Hz。采用B&K實(shí)驗(yàn)臺(tái)與PULSE分析系統(tǒng)進(jìn)行檢定得到頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如表3所示，頻率特性曲線如圖5所示。在振動(dòng)速度傳感器檢定過程中發(fā)現(xiàn)，由于該傳感器使用年限較長(zhǎng)，其高頻部分的頻響特性已明顯變差，由表3可知，該批傳感器40Hz以上的頻響特性基本上都不合格。

表3 MLS-9型水平與垂直速度傳感器頻響測(cè)試結(jié)果Tab.3 Frequency response of the MLS-9 velocity sensor on horizontal and vertical direction

圖5 MLS-9型水平與垂直振動(dòng)速度傳感器頻響曲線Fig.5 curve of the frequency response for MLS-9 velocity sensor on horizontal and vertical direction

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，B&K實(shí)驗(yàn)臺(tái)與PULSE分析系統(tǒng)已用于多個(gè)水電廠多臺(tái)機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)、擺度、鍵相及抬機(jī)量傳感器的檢定。利用該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地檢定出水電機(jī)組振動(dòng)傳感器的靈敏度、頻率響應(yīng)和動(dòng)態(tài)幅值線性度，從而判斷其能否繼續(xù)用于機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

從目前的檢定情況來看，無論是傳感器本身，還是傳感器選型方面，都存在許多問題。為此，特提出以下四點(diǎn)建議，為各個(gè)水電廠今后的選型及維護(hù)提供參考。

(1)磁電式振動(dòng)速度傳感器一定要按照國(guó)標(biāo)GB/T 28570《水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》中的要求，頻響范圍保證為0.5～200 Hz，如果機(jī)組轉(zhuǎn)速很低，可以考慮將下限頻率定為0.3 Hz甚至更低。

(2)建議各電廠對(duì)每臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)、擺度及鍵相等傳感器均統(tǒng)一型號(hào)，尤其是傳感器的供電方式上，保證每臺(tái)機(jī)組均可以通用，以降低電廠維護(hù)及管理的成本。

(3)從電渦流位移傳感器的檢定情況來看，國(guó)產(chǎn)一體化電渦流傳感器由于尺寸所限，其探頭屏蔽措施不好，導(dǎo)致靜態(tài)時(shí)存在電磁干擾，建議如果采用國(guó)產(chǎn)電渦流傳感器，盡量采用帶前置器的型號(hào)。進(jìn)口的一體化電渦流傳感器，如楓樹壩電廠采用的德國(guó)申克公司的一體化電渦流傳感器在檢定中未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。

(4)從各個(gè)電廠的傳感器送檢情況來看，沒有一臺(tái)機(jī)組能夠保證所有傳感器都合格，有些機(jī)組的不合格傳感器還較多。建議各個(gè)電廠要備足各個(gè)測(cè)點(diǎn)的備品傳感器，同時(shí)及時(shí)將備品傳感器送檢。按照國(guó)標(biāo)要求1年要檢定一次，考慮電廠實(shí)際情況，至少要保證2年檢定一次。

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