葛洲壩電站HOMIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振擺傳感器常見故障分析及處理

侯俊龍　 楊琪　 張富春

摘 要：HOMIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在葛洲壩電站運(yùn)用多年，在及時(shí)為機(jī)組發(fā)現(xiàn)故障隱患，分析和掌握機(jī)組的運(yùn)行特性，指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行和檢修維護(hù)，輔助進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)，提高電廠數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化水平等方面發(fā)揮了很好的作用。但在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量元件本身往往會(huì)出現(xiàn)故障或異常等現(xiàn)象，給機(jī)組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來了一定的影響，尤其是機(jī)組的振動(dòng)和擺度傳感器，它們作為機(jī)組重要部件的監(jiān)測(cè)元件，在機(jī)組實(shí)時(shí)安全、穩(wěn)定運(yùn)行過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在這里著重對(duì)這些振動(dòng)、擺傳感器常見的故障進(jìn)行分析和探討，并對(duì)這些故障的處理進(jìn)行總結(jié)研究，為這些振動(dòng)、擺傳感器在日常的運(yùn)行和維護(hù)過程中提供一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè)；振動(dòng)傳感器；擺度傳感器；故障分析；葛洲壩電站

隨著水電廠生產(chǎn)運(yùn)行檢修管理方式的變革，以及水電行業(yè)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化技術(shù)水平的提高，對(duì)水電機(jī)組實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯得越來越重要。在水電廠實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可隨時(shí)掌握和分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的隱患和缺陷，避免破壞性事故的發(fā)生，有利于指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行和檢修，有利于保障機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是水電廠實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的必要手段，也是由計(jì)劃?rùn)z修狀態(tài)轉(zhuǎn)為狀態(tài)檢修的必要技術(shù)條件。作為強(qiáng)有力的技術(shù)支持手段，機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有利于電廠管理模式的變革和創(chuàng)新。從國(guó)內(nèi)外投入運(yùn)行的大中型機(jī)組的運(yùn)行狀況來看，不少機(jī)組存在嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題，事故也屢有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，威脅機(jī)組的安全和壽命，甚至給電網(wǎng)的安全構(gòu)成威脅。所以，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和深入的分析顯得尤為迫切。通過對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行特性，避免機(jī)組在不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，降低機(jī)組的事故隱患。

葛洲壩電站于2004年3月正式引入由長(zhǎng)江電力股份有限公司與華中科技大學(xué)合作開發(fā)的，基于改進(jìn)檢修質(zhì)量，提高維護(hù)效率為目的的水電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，也稱之為HOMIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入后對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性運(yùn)行監(jiān)測(cè)起到了非常重要的作用，但在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量元件本身往往會(huì)出現(xiàn)故障或異常等現(xiàn)象，給機(jī)組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來了一定的影響，尤其是機(jī)組的振動(dòng)和擺度傳感器，它們作為機(jī)組重要部件的監(jiān)測(cè)元件，在機(jī)組實(shí)時(shí)安全、穩(wěn)定運(yùn)行過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在這里著重對(duì)這些振、擺傳感器常見的故障進(jìn)行分析和探討，并對(duì)這些故障的處理進(jìn)行總結(jié)研究，為這些振、擺傳感器在日常的運(yùn)行和維護(hù)過程中提供一定的指導(dǎo)意義！

1 振動(dòng)、擺度傳感器的基本工作原理

1.1 振動(dòng)傳感器工作原理

振動(dòng)傳感器又稱之為低頻速度傳感器。低頻速度傳感器一般采用磁電式原理，通過磁電作用將被測(cè)振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)。低頻速度傳感器一般由磁路系統(tǒng)、線圈和一些輔助元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等組成。

對(duì)于水輪機(jī)組來說，低頻振動(dòng)是其固有的特性，振動(dòng)傳感器在使用時(shí)安裝在被測(cè)物體的表面，當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼隨之振動(dòng)，此時(shí)線圈、阻尼環(huán)和芯桿的整體由于慣性而不隨之振動(dòng)，因此它們與殼體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，位于磁路氣隙間的線圈就切割磁力線，于是線圈就產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)與速度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接測(cè)量速度，經(jīng)過積分或微分電路便可測(cè)量位移或加速度。

1.2 擺度傳感器工作原理

擺度傳感器實(shí)質(zhì)稱為電渦流傳感器。電渦流傳感器是一種利用電渦流原理測(cè)量轉(zhuǎn)子表面相對(duì)于傳感器頭部距離變化的傳感器。在傳感器探頭的端部有一線圈，在前置器內(nèi)有高頻信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)電源時(shí)，在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻電流信號(hào)，該信號(hào)通過電纜送到探頭的頭部線圈，在頭部線圈周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。如果在該磁場(chǎng)范圍內(nèi)沒有金屬導(dǎo)體材料接近，則發(fā)射出去的交變磁場(chǎng)的能量會(huì)全部釋放；反之，如果有金屬導(dǎo)體材料靠近探頭頭部，則該交變磁場(chǎng)將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，該電渦流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的交變磁場(chǎng)，方向與頭部線圈周圍產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)相反。由于磁場(chǎng)間的反作用，就會(huì)改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。

2 葛洲壩電站HOMIS振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

葛洲壩電站HOMIS振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、安裝底座、電纜、端子、采集箱、現(xiàn)地柜等組成，振動(dòng)傳感器和擺度傳感器因測(cè)量性質(zhì)不一樣，因此安裝位置也有所不同，下面將詳細(xì)介紹葛洲壩電站機(jī)組振擺傳感器的布局及安裝。

2.1 葛洲壩電站振擺傳感器的測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)葛洲壩水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在上機(jī)架、支持蓋處，按+X、+Y的水平和垂直方向，互成90°分別布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，在機(jī)組上導(dǎo)、水導(dǎo)處按+X、+Y方向分別布置導(dǎo)軸承擺度測(cè)點(diǎn)。

振擺傳感器測(cè)點(diǎn)配置表：

測(cè)點(diǎn)名稱[]測(cè)點(diǎn)數(shù)量[]安裝位置

上導(dǎo)擺度[]2[]+X、+Y 方向互成 90°徑向布置。測(cè)點(diǎn)靠近機(jī)組中心。

水導(dǎo)擺度[]2[]+X、+Y 方向互成 90°徑向布置。測(cè)點(diǎn)靠近機(jī)組中心。

上機(jī)架水平振動(dòng)[]2[]+X、+Y 方向互成 90°徑向布置

上機(jī)架垂直振動(dòng)[]2[]+X、+Y 方向互成 90°軸向布置

支持蓋水平振動(dòng)[]2[]+X、+Y 方向互成 90°徑向布置

支持蓋垂直振動(dòng)[]2[]+X、+Y 方向互成 90°軸向布置

2.2 葛洲壩電站振、擺傳感器的安裝

2.2.1 振動(dòng)傳感器的安裝

由于一般測(cè)量表面不允許開孔和攻絲，一般安裝時(shí)要先在測(cè)量表面固定一塊安裝底座。葛洲壩電站機(jī)組振動(dòng)傳感器安裝底座均采用焊接的方式固定在上機(jī)架及支持蓋指定的測(cè)點(diǎn)位置處。

安裝底座需要根據(jù)特定的速度傳感器尺寸預(yù)留有與傳感器的固定螺孔，傳感器可通過螺釘固定在安裝底座上。

為保證測(cè)量效果，測(cè)量水平方向振動(dòng)的速度傳感器安裝底座應(yīng)盡量與水平面保持垂直，并面向大軸中心線；測(cè)量垂直方向振動(dòng)的傳感器安裝底座應(yīng)盡量與水平面水平。在安裝傳感器時(shí)一定要注意傳感器的安裝方向，不能混淆水平和垂直。振動(dòng)傳感器安裝好后無需調(diào)整，通電直接使用。

2.2.2 擺度傳感器的安裝

擺度傳感器安裝時(shí)一般需要使用支架固定在轉(zhuǎn)軸測(cè)點(diǎn)附近的非轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，通常是在軸承油盆蓋上。對(duì)于部分測(cè)點(diǎn)，有時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的安裝支架。支架需要有足夠的剛度，懸臂不必過長(zhǎng)，支架固定要牢靠。葛洲壩電站機(jī)組振擺傳感器安裝底座有螺栓固定和AB膠粘合兩種固定方式，后者采用較為普遍。

擺度傳感器安裝一項(xiàng)重要工作是調(diào)整間隙電流，即調(diào)整傳感器前端面與轉(zhuǎn)軸表面的距離。調(diào)整傳感器有兩種方法。一種是機(jī)械法，即在探頭和測(cè)量面中間插入某一厚度的塞尺，然后固定傳感器；另一種是電測(cè)法，即給傳感器提供相應(yīng)工作電源，然后松開探頭緊固螺母，調(diào)整探頭并用萬用表測(cè)量輸出電流，根據(jù)傳感器特性曲線調(diào)整到某一電流范圍。葛洲壩電站機(jī)組擺度傳感器的調(diào)整通常采用電測(cè)法，且傳感器電流輸出值需要調(diào)整至10mA14mA范圍內(nèi)。

目前，葛洲壩電站機(jī)組所用的擺度傳感器為前置器直接置于探頭體內(nèi)的一體化電渦流傳感器。由于一體化電渦流傳感器采用貼片電路工藝、將探頭和電子處理部件都集成在一起，無需高頻同軸電纜連接、無需再選配前置器。具有安裝簡(jiǎn)便、成本低、機(jī)械故障少等優(yōu)點(diǎn)。在水輪發(fā)電機(jī)等常規(guī)位移測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因此葛洲壩機(jī)組擺度傳感器由原來的帶有單獨(dú)前置器的電渦流傳感器更換為了一體化電渦流傳感器。

3 葛洲壩電站機(jī)組振擺傳感器常見故障分析及處理

從日常維護(hù)來看，振動(dòng)、擺度傳感器出現(xiàn)故障時(shí)主要對(duì)其進(jìn)行更換或者調(diào)整，其中振動(dòng)傳感器一旦出故障只能進(jìn)行更換，而擺度傳感器大多數(shù)可進(jìn)行調(diào)整，傳感器本身損壞率比較小。

這些傳感器發(fā)生故障時(shí)通常表現(xiàn)的直觀現(xiàn)象為傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生跳變和信號(hào)中斷，下面將對(duì)這兩方面進(jìn)行一定的探討和分析。

3.1 傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生跳變

產(chǎn)生輸出信號(hào)跳變的主要原因，我認(rèn)為有以下幾個(gè)方面：

3.1.1 通訊線路故障

由于振、擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，主要通過電纜，轉(zhuǎn)接端子，采集箱等元件進(jìn)行傳輸，而這些電纜或者接線端子的信號(hào)線隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后可能產(chǎn)生松動(dòng)或者脫落，導(dǎo)致接觸不良，因此造成了傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生跳變。

而這些傳感器的信號(hào)線松動(dòng)或脫落，主要由兩方面引起，第一：機(jī)組的振動(dòng)導(dǎo)致其脫落或松動(dòng)；第二：人為因素導(dǎo)致傳感器接線松動(dòng)。

3.1.2 傳感器異常

傳感器內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)產(chǎn)生跳變。由于這些振、擺傳感器運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是水導(dǎo)軸承油箱蓋上的擺度傳感器，其運(yùn)行環(huán)境比較潮濕并且油霧比較大，這些水分或者油霧產(chǎn)生的油滴長(zhǎng)時(shí)間附著在傳感器上，導(dǎo)致傳感器性能異常。通常傳感器性能異常時(shí)的表現(xiàn)為：在對(duì)其進(jìn)行測(cè)量檢查時(shí)，其輸出的模擬信號(hào)發(fā)生跳變，甚至不變，此時(shí)可判斷該傳感器可能已損壞。

3.1.3 安裝底座松動(dòng)

無論是振動(dòng)傳感器還是擺度傳感器，其安裝位置都是機(jī)組振動(dòng)比較大的地方，因此在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后如果安坐底座固定不牢靠，難免會(huì)生產(chǎn)松動(dòng)。目前，葛洲壩機(jī)組擺度傳感器的安裝底座主要有螺栓把合和AB膠粘接兩種形式，為了拆裝方便，大部分?jǐn)[度傳感器采用的是AB膠粘接方式，但是這種安裝方式雖然便捷但是如果粘接不好或者受到外力時(shí)容易使安裝底座松動(dòng)甚至脫落，這也是擺度傳感器故障率要高于振動(dòng)傳感器的原因。

3.2 傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生中斷

同樣，傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生中斷的主要原因，也是以下幾個(gè)方面的原因：

1）系統(tǒng)軟件故障。HOMIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要采集、分析、存儲(chǔ)各種狀態(tài)量，而在其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)產(chǎn)生刷新數(shù)據(jù)不及時(shí)甚至服務(wù)器生產(chǎn)死機(jī)等情況，因此容易出現(xiàn)傳感器信號(hào)中斷的情況，但這種情況在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行，只不過給用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來了一定的麻煩，針對(duì)這種情況，一般只需要重啟服務(wù)器即可。

2）傳感器損壞。傳感器損壞一般是輸出信號(hào)產(chǎn)生中斷的最直接原因，因此只能對(duì)其進(jìn)行更換處理。這種情況多發(fā)生在振動(dòng)傳感器身上。振動(dòng)傳感器本身質(zhì)量好壞直接關(guān)系到其使用壽命。因此，使用質(zhì)量好的振動(dòng)傳感器也是將來傳感器換型升級(jí)所要考慮的主要方向。

3）安裝底座脫落。對(duì)于采用AB膠粘接方式的安裝底座，如果在受到瞬間外力時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致底座直接脫落，此時(shí)傳感器會(huì)產(chǎn)生信號(hào)中斷的現(xiàn)象，如果碰到這種情況，只能在機(jī)組停機(jī)時(shí)，對(duì)傳感器安裝底座進(jìn)行重新固定，并對(duì)傳感器重新進(jìn)行調(diào)整。

4）傳輸?shù)碾娎|、信號(hào)線脫落也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中斷的現(xiàn)象產(chǎn)生，一般對(duì)這種情況而言，重新對(duì)其接線即可恢復(fù)。

4 結(jié)語

振動(dòng)、擺傳感器在機(jī)組的運(yùn)行過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它們不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組軸承及支撐部件的運(yùn)行情況，同時(shí)為機(jī)組的主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、趨勢(shì)分析提供了重要的依據(jù)，由此可見它們的重要性。而目前葛洲壩電站機(jī)組所用的振、擺傳感器本身設(shè)備質(zhì)量參差不齊，一些新的傳感器在首次使用時(shí)就發(fā)現(xiàn)已經(jīng)損壞；其次，大多數(shù)機(jī)組的擺度傳感器的底座安裝方式采用的是AB膠粘接的方式，這種安裝方式容易導(dǎo)致底座出現(xiàn)松動(dòng)或者脫落。上述這些情況都是導(dǎo)致振、擺傳感器易出現(xiàn)故障的主要原因。另外，目前我們對(duì)這些傳感器還缺少校驗(yàn)的平臺(tái)和手段，如果能對(duì)一些出現(xiàn)異常的傳感器進(jìn)行校驗(yàn)并能二次使用，這將直接降低設(shè)備維護(hù)成本，同時(shí)將間接發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，葛洲壩電站機(jī)組振、擺傳感器的選型和安裝方式的改善及校驗(yàn)應(yīng)該作為將來研究和思考的課題！

參考文獻(xiàn)：

[1]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（GB/T 28570）.

[2]水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置導(dǎo)則（DL/T 55694）.

[3]魯俊兵.漫灣水電廠主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究[D].昆明理工大學(xué)，2006.