水电机组振动监测传感器的选用

刘镖峰，张金鹏，何霏霏

（南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏省南京市 210000）

0 引言

振动是水电机组较为常见的现象，较大的振动直接影响着机组的安全运行，因此振动大小是评定机组运行性能的一个重要指标。水电机组是一个由水力、机械和电气设备构成的复杂系统，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，结合传感器的工作原理、特点和使用范围，针对不同的信号源选用不同的传感器。

1 水电机组振动的特点

水电机组属大型旋转机械，转速普遍较低，主流的大型旋转混流式机组的转频一般在2～3Hz，抽水蓄能机组转频较高也不过10Hz。水电机组振动存在水力因素。对于其他机械来说，不存在水力振动。水力因素引发的振动信号的组成有其不规则性，如尾水管低频压力脉动频率组成为（0.25～0.4）X，水轮机固定导叶卡门涡列频率高达280Hz等，而旋转机械中其他因素引发的振动信号成分多为转频、倍频成分。[1][2]

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[3]。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。

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 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。

图2 机组顶盖垂直振动历史数据（单位：μm）Fig.2 The vertical vibration data of the unit（unit：μm）

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。

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，如图3所示。

对机组全厂振动数据对比，更换前（2015年8月）数据参见图4。

更换后（2015年12月）数据参见图5。

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。

4 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[5]，不同部位的振动有其特有的幅频特性[6]。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[7]。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。

图3 顶盖Z向垂直振动波形Fig.3 Head cover Z vertical vibration waveform

图4 顶盖Z向垂直振动更换前历史数据（单位：μm）Fig.4 The history data of head cover Z vertical vibration before replacement（unit：μm）

图5 顶盖Z向垂直振动更换后历史数据（单位：μm）Fig.5 The history data of head cover Z vertical vibration after replacement（unit：μm）