磁电式速度传感器故障导致发电机组跳机分析

孙京生，李国豪，甘智勇，王 坤，王梓越

（1.国网天津市电力公司，天津300010；2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384）

天津市某台汽轮发电机组，在带负荷正常运行时，突发异常振动，造成保护动作跳机。跳机检查后检查机组状况并无明显异常，再次起机后多次发生类似情况，造成较大损失。为弄清振动故障原因，找出治理方法，防止类似事故再次发生，故对机组进行跳机原因分析工作，最终发现了故障是由于磁电式速度传感器故障导致的，本文将对故障的表现形式、排查过程、原因分析进行详细阐述。

1 故障的表现形式

1.1 机组运行参数

故障机组采用的是青岛捷能汽轮机股份有限公司生产的C12-3.43/0.98 单缸抽汽式汽轮机，配以同公司生产的QFW-15-2 型发电机，机组额定转速3000 r/min，额定功率12000 kW。机组轴系示意图如图1 所示。

图1 汽轮发电机组轴系示意图Fig.1 Schematic diagram of the turbine generator set shafting

汽轮机轴系监测系统采用的电厂自主采购的国产某监测系统。

1.2 表型形式

故障机组在带负荷正常运行时，突发#2 轴承垂直振动突然增大，达到跳机保护动作值，机组跳机。降速过程中，运行人员就地采用手持振动测试仪测试该轴瓦振动正常。停机后检查机组状况正常，无引起振动突然增大的条件，经盘车后起机，后多次发生类似情况。

2 故障的排查过程

2.1 搭建振动监测系统

故障汽机发电机组振动监测工作采用在线连续采集、数据分析的方法进行，使用美国本特利公司408P 振动监测分析系统，瓦振信号使用该公司9200 系列速度型振动传感器采集，并在#3 轴承处加装了该公司300380 系列电涡流振动传感器，振动信号其监测分析系统示意图如图2 所示。

图2 振动监测系统示意图Fig.2 Vibration monitoring system schematic

2.2 振动监测过程

针对故障机组存在的#2 轴承垂直振动过大导致跳机的状况，在起机前搭设振动监测系统，该系统采集的信号包括：

（1）#1 轴承垂直振动、#1 轴承水平振动、#2 轴承垂直振动、#2 轴承水平振动、#3 轴承垂直振动、#3 轴承水平振动、#4 轴承垂直振动、#4 轴承水平振动；

（2）引入电厂汽轮机轴系监测系统自带传感器振动信号；

（3）加装#3 轴承电涡流轴传感器。

在常规测试过程中未发现#2 轴承存在振动异常情况，故采用缩短采样间隔的方式进行大密度采集，进行了长达6 天的持续监测，最终发现了振动异常点。

2.3 振动监测结果及分析

调取监测过程的趋势图如图3 所示，左上为#2轴承垂直方向瓦振（本特利9200 测得），右上为#2轴承垂直方向瓦振（电厂某国产传感器测得），左下为#3 轴承垂直方向瓦振（本特利9200 测得），右下为#3 轴承轴振（本特利电涡流传感器测得）。

图3 振动监测过程趋势图Fig.3 Vibration monitoring process trend diagram

由图3 可知#3 轴承振动状况无明显异常，本特利9200 测得#2 轴承振动状况无明显异常，电厂某国产传感器测得数据有明显较大点，幅值为200 μm 以上，达到跳机保护值，足以引起跳机。而在其振动大点的同一时间本特利9200 测得数值不大，与前后时间点数据基本一致。调取两传感器测得数据在该时间点的频谱如图4 所示，图中上图为本特利9200 传感器测得频谱，下图为电厂某国产传感器测得频谱。

由频谱图可以看出，10 Hz 左右的振动幅值是导致电厂某国产传感器测得数据较大的直接原因，而本特利9200 在10 Hz 左右无明显最大点，故电厂某国产传感器在10 Hz 左右失真故障时导致电厂振动大停机事故的直接原因。

3 故障原因分析

3.1 故障传感器检测结果

将故障传感器置于振动校验平台上与标准传感器进行比对，在10 Hz 下比对结果如图5 所示，图中右上为标准传感器、右下为故障传感器。

图4 振动异常点频谱图Fig.4 Vibration abnormal point spectrum

图5 振动校验平台测试结果Fig.5 Vibration calibration platform test results

由图5 可以看出，当标准传感器示数为0.01 mm时，故障传感器示数为0.15 mm，差距较大。

3.2 故障类型分析

故障传感器为磁电式速度传感器，磁电式惯性速度传感器是一种把振动物体的振动参数转换为电量的换能装置，它是利用电磁感应原理，在被测物体振动时传感器内固定在惯性质量上的线圈切割磁力线，得到正比于振动速度的电势，该电势通过放大器放大，可测量被测物体的速度.经过微分或积分网络，便可测量加速度或位移.因此，此传感器可广泛地用于测量机床、发动机、船舶等试件的振动位移、速度、加速度[1]。

磁电式传感器的结构主要由永磁铁、 惯性质量、线圈、阻尼环、弹簧等组成.它的力学模型如图6所示，工作时将传感器外壳紧固于被测物体上，随被测物体一起振动。

图6 磁电式速度传感器力学模型Fig.6 Magnetoelectric speed sensor mechanical model

图7为一般速度传感器的频响特性，从频响特性曲线上可清楚地看出，20 Hz 以后基本上是平直段，可得到被试传感器的固有频率为11.45 Hz[2]。故当振动频率接近传感器固有振动频率时可能出现数据偏差，严重的甚至会出现欠阻尼导致测试数据数10 倍误差。

图7 一般速度传感器的频响特性曲线Fig.7 Frequency response characteristic curve of general speed sensor

4 结语

由振动监测发现该汽轮发电机组跳机是某国产传感器故障导致的，其故障主要原因为速度传感器欠阻尼状态导致的频响特性不佳，数十倍的误差放大了10 Hz 附近的振动幅值，导致振动幅值超过跳机值引起跳机。故电厂在安装汽轮机轴系监测系统时应慎重考虑传感器厂家及型号，除在选型时索要检定报告外还需定时开展传感器校验工作。