傅堅(jiān)　周孝法　黃山　方宇　陰春曉

摘 要：在高壓直流輸電系統(tǒng)中，智能化程度和可靠性的需求越來(lái)越高，迫切需要對(duì)換流站閥水冷系統(tǒng)核心設(shè)備主循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求出發(fā)，介紹了所提出的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集單元硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中提出的振動(dòng)烈度參數(shù)，作為主循環(huán)泵監(jiān)測(cè)預(yù)警的閾值，基于虛擬儀器LabVIEW，開發(fā)了循環(huán)泵的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，測(cè)試結(jié)果表明可以有效的監(jiān)測(cè)循環(huán)泵運(yùn)行情況，保證閥水冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：LabVIEW 主循環(huán)泵 振動(dòng)監(jiān)測(cè) 振動(dòng)烈度

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0007-03

作為直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，換流閥在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為保證換流閥的正常運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行冷卻。因此在高壓直流輸電系統(tǒng)中換流閥的冷卻系統(tǒng)就顯得尤為重要，可以說(shuō)換流閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提和保證[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，某公司管轄的9個(gè)換流站自2004年至2010年所發(fā)生的52次單雙極閉鎖中有10次是由閥冷卻等輔助系統(tǒng)故障引起。內(nèi)冷水主循環(huán)泵作為換流閥冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要是為用于散熱的內(nèi)冷水提供循環(huán)動(dòng)力。穩(wěn)定的冷卻水流量和壓力是換流閥對(duì)水冷設(shè)備的基本要求。因此主循環(huán)泵的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)整個(gè)閥冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性有著極為重要的意義。目前，未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外研究單位或機(jī)構(gòu)對(duì)換流站閥內(nèi)冷水主循環(huán)泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的研究報(bào)道。

該文提出了一種基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于上海市電力公司所轄的楓涇換流站。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效的監(jiān)測(cè)、評(píng)估主循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中，可用于監(jiān)測(cè)和診斷的信息很多，包括振動(dòng)、溫度、壓力、電流等，其中振動(dòng)信號(hào)能夠迅速直接地反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的故障都以振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)。由此可見(jiàn)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和故障診斷是一種行之有效的方法[2]。該文所提出的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估主要根據(jù)主循環(huán)泵的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。該系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器檢測(cè)循環(huán)泵振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PC機(jī)中的LabVIEW軟件進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示。

1.2 系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)采用的硬件有：PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和采集設(shè)備，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 傳感器

采用INV9832型IEPE型三向加速度傳感器及INV9822型IEPE單向加速度傳感器采集循環(huán)泵加速度信號(hào)，這兩款傳感器的特點(diǎn)是低阻抗輸出，抗干擾強(qiáng)，噪聲小，可以延長(zhǎng)電纜輸出；性價(jià)比高，尤其適用于多點(diǎn)測(cè)量；傳感器前端有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固件表面上，穩(wěn)定性高，能在惡劣環(huán)境下使用。INV9832型三向加速度傳感器的靈敏度為100 mv/g，最大工作加速度為50 g，頻率范圍為0.5～5 kHz，NV9822型IEPE單向加速度傳感器的靈敏度為100 mv/g，最大工作加速度為50 g，頻率范圍為0.5～5 kHz。

（1）傳感器布點(diǎn)。

傳感器布點(diǎn)位置直接關(guān)系到測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]，泵非旋轉(zhuǎn)件的振動(dòng)測(cè)量應(yīng)在泵的軸承箱（軸承座）或靠近軸承處進(jìn)行。在每臺(tái)泵的一處或幾處關(guān)鍵部位選為測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在振動(dòng)能量向彈性基礎(chǔ)或系統(tǒng)其他部件進(jìn)行傳遞的部位，測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在軸承座、底座和出口法蘭處，軸承座處和靠近軸承處的測(cè)點(diǎn)為主要測(cè)點(diǎn)；泵腳、底座和出口法蘭處的測(cè)點(diǎn)稱為輔助測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量如圖2所示。

①泵軸承三向×2

②電機(jī)軸承單向×1

③泵出水口單向×1

④基座或基礎(chǔ)單向×1

1.2.2 數(shù)據(jù)采集卡

選用NI9234多功能數(shù)據(jù)采集卡，相關(guān)參數(shù)：軟件可選的IEPE信號(hào)調(diào)理（0 mA或2 mA），每通道最高51.2 kS/s采樣速率，交流耦合（0.5 Hz），24位分辨率，102 dB動(dòng)態(tài)范圍，防混疊濾波器，4路同步采樣模擬輸入，±5V輸入范圍，兼容智能TEDS傳感器。

1.2.3 控制器

NI CompactRIO（cRIO）是一款工業(yè)級(jí)嵌入式測(cè)控平臺(tái)，外形小巧而堅(jiān)固，滿足苛刻的工業(yè)級(jí)指標(biāo)，具有寬溫（-40～70 ℃）和抗沖擊（50 g）等特性，特別適用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中對(duì)可靠性有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。CompactRIO系統(tǒng)由控制器、機(jī)箱（內(nèi)嵌FPGA芯片）和采集模塊三部分組成。CompactRIO內(nèi)嵌PowerPC微處理器和FPGA芯片，支持上百種可熱插拔的I/O模塊，模塊中內(nèi)置信號(hào)調(diào)理功能和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可直接連接電壓、電流、電荷、ICP接口、電橋以及TEDS傳感器。此外cRIO實(shí)時(shí)控制器中配置了千兆以太網(wǎng)接口，可基于有線/無(wú)線連接，構(gòu)建遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)軟件

1.3.1 軟件框架

軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)思路， 即將功能塊進(jìn)行劃分。本系統(tǒng)是由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、警報(bào)等模塊組成。采用模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，減小了設(shè)計(jì)難度、便于軟件的復(fù)用以及系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)等[4]。LabVIEW編程方法不同于傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法，它擺脫了傳統(tǒng)語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的困擾。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW的執(zhí)行順序是由數(shù)據(jù)流的方式確定的，而不是按照代碼行出現(xiàn)的順序，因此可設(shè)計(jì)出同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序的流程圖[5]。在界面設(shè)計(jì)時(shí)，可從控制面板中選取所需的控制及數(shù)據(jù)顯示對(duì)象。利用LabVIEW軟件開發(fā)出具有形象按鈕的前面板，利用其強(qiáng)大的圖形化編程功能可以實(shí)現(xiàn)各種顯示和處理功能。這樣，只要對(duì)PC機(jī)面板上的按鈕進(jìn)行操作就能完成監(jiān)測(cè)任務(wù)[6]。系統(tǒng)界面圖及流程圖如圖3、圖4所示。endprint

1.3.2 預(yù)警判據(jù)的選擇

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中選用振動(dòng)速度作為衡量振動(dòng)激烈程度的參量，這是考慮到：振動(dòng)速度可以反映出振動(dòng)的能量，絕大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)損壞都是由于振動(dòng)速度過(guò)大引起的，機(jī)器的噪聲與振動(dòng)速度成正比；對(duì)于同一機(jī)器的同一部分，相同的振動(dòng)速度產(chǎn)生相同的應(yīng)力；而且對(duì)于大多數(shù)的機(jī)器來(lái)說(shuō)都具有相當(dāng)平坦的速度頻譜等。所以我們依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用振動(dòng)烈度（振動(dòng)速度的均方根值）作為判斷參數(shù)。

評(píng)價(jià)泵的振動(dòng)級(jí)別，按泵的中心高和轉(zhuǎn)速將泵分為四類，見(jiàn)表1。

該換流站泵的型號(hào)是CPKN-C1 200～500，額定流量380 m3/h，揚(yáng)程60 m，額定轉(zhuǎn)速1488 r/min，中心高425 mm，故該泵是第二類。

1.3.3 評(píng)價(jià)泵的振動(dòng)級(jí)別

泵的振動(dòng)級(jí)別分別為A、B、C、D四級(jí)，D為不合格。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)地點(diǎn)在上海市金山區(qū)楓涇換流站，試驗(yàn)對(duì)象是該換流站站內(nèi)冷水循環(huán)泵，試驗(yàn)條件：正常運(yùn)行工況，轉(zhuǎn)速1488 r/min，采樣頻率2560 Hz，采樣時(shí)間1 h，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)表2中第二類泵的振動(dòng)級(jí)別參數(shù)，可以看到5個(gè)測(cè)點(diǎn)共11個(gè)振動(dòng)烈度均沒(méi)有超過(guò)2.8 mm/s，在B級(jí)以內(nèi)，故判定泵的工作狀態(tài)正常。

3 結(jié)語(yǔ)

該文提出并構(gòu)建了一套基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環(huán)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，給出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從硬件的選型到上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)方法。該測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可移植性強(qiáng)，適用于機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的測(cè)試；軟件平臺(tái)適用性與擴(kuò)展性強(qiáng)。對(duì)換流閥主循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效分析，依據(jù)泵的振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估、判定，為其狀態(tài)檢修提供依據(jù)，確保換流站閥水冷主循環(huán)泵的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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