水電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測傳感器的選用

劉鏢峰，張金鵬，何霏霏

（南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇省南京市 210000）

0 引言

振動(dòng)是水電機(jī)組較為常見的現(xiàn)象，較大的振動(dòng)直接影響著機(jī)組的安全運(yùn)行，因此振動(dòng)大小是評(píng)定機(jī)組運(yùn)行性能的一個(gè)重要指標(biāo)。水電機(jī)組是一個(gè)由水力、機(jī)械和電氣設(shè)備構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，既有對(duì)位移量比較敏感的故障，又有對(duì)速度以及加速度量比較敏感的故障，所以在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)充分了解水電機(jī)組的振動(dòng)頻率特征，根據(jù)不同的故障類型、機(jī)組的測量部位，結(jié)合傳感器的工作原理、特點(diǎn)和使用范圍，針對(duì)不同的信號(hào)源選用不同的傳感器。

1 水電機(jī)組振動(dòng)的特點(diǎn)

水電機(jī)組屬大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)速普遍較低，主流的大型旋轉(zhuǎn)混流式機(jī)組的轉(zhuǎn)頻一般在2～3Hz，抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)頻較高也不過10Hz。水電機(jī)組振動(dòng)存在水力因素。對(duì)于其他機(jī)械來說，不存在水力振動(dòng)。水力因素引發(fā)的振動(dòng)信號(hào)的組成有其不規(guī)則性，如尾水管低頻壓力脈動(dòng)頻率組成為（0.25～0.4）X，水輪機(jī)固定導(dǎo)葉卡門渦列頻率高達(dá)280Hz等，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械中其他因素引發(fā)的振動(dòng)信號(hào)成分多為轉(zhuǎn)頻、倍頻成分。[1][2]

2 傳感器的選用

對(duì)振動(dòng)信號(hào)幅值的測量有不同的方法，一般為位移測量、速度測量以及加速度測量[3]。工程振動(dòng)量值的物理參數(shù)常用位移、速度和加速度來表示。常用單位為：微米（μm），毫米/秒2（mm/s2），或重力加速度（g）。位移、速度以及加速度對(duì)頻率的敏感度所有不同，如圖1所示。

從圖1中可用看出，對(duì)于低頻（低于5Hz）振動(dòng)，位移是最好的振動(dòng)監(jiān)測量，這是因?yàn)榧铀俣扰c積分后位移關(guān)系為：

式中a0——加速度值，g；

A——位移值，mm；

ω——角速度，rad/s；

V——線速度，m/s；

f——頻率，Hz。

在低頻時(shí)機(jī)組最有可能發(fā)生的是應(yīng)力故障，一般為機(jī)組軸線彎曲所導(dǎo)致的故障，加速度數(shù)值通常很小，位移值則較為明顯。在中頻段，由于頻率的放大作用，很小的位移值也會(huì)產(chǎn)生很大的速度值，而振動(dòng)所產(chǎn)生的能量，與振動(dòng)的速度相關(guān)，能量的傳導(dǎo)會(huì)造成部件疲勞及損傷，此時(shí)再用位移峰峰值來評(píng)價(jià)機(jī)組運(yùn)行狀況，將失去對(duì)機(jī)組的保護(hù)意義，因此在中頻段建議采用速度值來評(píng)價(jià)機(jī)組運(yùn)行狀況；同樣的幅值下，振動(dòng)的頻率越高，振動(dòng)的加速度值也就越大，當(dāng)頻率到達(dá)一定高度時(shí)，即便是非常小的位移也會(huì)使機(jī)組受到過度力的作用從而引起機(jī)組故障，對(duì)于高頻信號(hào)加速度無疑是最好的振動(dòng)監(jiān)測。

3 實(shí)例分析

由于振動(dòng)位移和靜位移、轉(zhuǎn)子軸線的線性偏差等具有共同的特征和單位，同時(shí)低轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)，主要振動(dòng)成分為低頻振動(dòng)。根據(jù)上文所述，對(duì)低轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組而言一般情況下都是采用振動(dòng)位移來作為振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)，用以監(jiān)測保護(hù)機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行。浙江某電廠振擺保護(hù)及在線監(jiān)測系統(tǒng)使用加速度傳感器測量機(jī)組振動(dòng)加速度，再通過二次積分將測量到的加速度信號(hào)積分為位移信號(hào)。系統(tǒng)運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)頂蓋Z向垂直振動(dòng)，3號(hào)機(jī)頂蓋Z向垂直振動(dòng)出現(xiàn)測值不穩(wěn)定、偶爾會(huì)有跳變、測值偏大等問題。

圖2 機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)（單位：μm）Fig.2 The vertical vibration data of the unit（unit：μm）

當(dāng)振幅為100μm時(shí)，以該廠電廠為例，機(jī)組轉(zhuǎn)速為71.4r/min，轉(zhuǎn)頻為1.19，轉(zhuǎn)換成加速度為0.00057g。加速度值很小，而實(shí)際振幅已經(jīng)很大。而當(dāng)測量振動(dòng)頻率f較小時(shí)，積分會(huì)對(duì)低頻加速度分量幅值放大。根據(jù)上文所述，水電機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)，以低頻分量為主，因此容易造成積分器飽和。此外，雖然電廠所采用的進(jìn)口加速度傳感器靈敏度可達(dá)500mV/g，機(jī)組轉(zhuǎn)速為71.4r/min，轉(zhuǎn)頻為1.19。轉(zhuǎn)換為位移的靈敏度為0.051mV/μm，而一般位移型振動(dòng)傳感器的靈敏度至少為5mV/μm。信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加速度傳感器，近一步導(dǎo)致測值跳變以及測值偏大等問題。因此加速度傳感器的輸出方式及原理，決定了加速度傳感器不太適用于測量以低頻分量為主的低轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組頂蓋部分振動(dòng)。

為了解決由積分飽和及信噪比過低帶來的測值跳變問題，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，振擺保護(hù)及在線監(jiān)測系統(tǒng)廠家將加速度傳感器更換為位移型傳感器，以2號(hào)機(jī)組頂蓋Z向垂直振動(dòng)為例，更換后波形變穩(wěn)定，如圖3所示。

對(duì)機(jī)組全廠振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比，更換前（2015年8月）數(shù)據(jù)參見圖4。

更換后（2015年12月）數(shù)據(jù)參見圖5。

從2號(hào)機(jī)組2個(gè)月的全廠振動(dòng)數(shù)據(jù)比較看，經(jīng)過更換振動(dòng)傳感器后，振擺在線監(jiān)測及保護(hù)系統(tǒng)解決了振動(dòng)測值偏大以及測值跳變等問題，且2號(hào)機(jī)組頂蓋Z向垂直振動(dòng)與其他頂蓋部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)相近，而更換前頂蓋Z向垂直振動(dòng)數(shù)據(jù)是其他頂蓋部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)的8倍左右。

4 結(jié)束語

水電機(jī)組是一個(gè)由水力、機(jī)械和電氣設(shè)備構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，即振動(dòng)可能由水力因素、電氣因素或機(jī)械因素引發(fā)[5]，不同部位的振動(dòng)有其特有的幅頻特性[6]。因此，需綜合考慮測量水電機(jī)組機(jī)架、定子鐵芯、定子基座、頂蓋等部位的振動(dòng)信號(hào)傳感器的選用[7]。水輪機(jī)頂蓋部位的振動(dòng)最低可以達(dá)到轉(zhuǎn)頻的1/6，因此選用位移型傳感器，以振動(dòng)峰峰值來評(píng)價(jià)機(jī)組運(yùn)行狀況，可得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量結(jié)果。對(duì)于電氣因素引發(fā)的中頻以及高頻振動(dòng)，則使用速度值或加速度值來作為評(píng)價(jià)依據(jù)更為全面。

圖3 頂蓋Z向垂直振動(dòng)波形Fig.3 Head cover Z vertical vibration waveform

圖4 頂蓋Z向垂直振動(dòng)更換前歷史數(shù)據(jù)（單位：μm）Fig.4 The history data of head cover Z vertical vibration before replacement（unit：μm）

圖5 頂蓋Z向垂直振動(dòng)更換后歷史數(shù)據(jù)（單位：μm）Fig.5 The history data of head cover Z vertical vibration after replacement（unit：μm）