王建勇，程瀟黠

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江省建德市 311608；2.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106）

加速度傳感器用于水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)的性能分析

王建勇1，程瀟黠2

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江省建德市 311608；2.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106）

加速度傳感器越來越多地應(yīng)用到水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，由于對(duì)振動(dòng)的評(píng)價(jià)采用位移值作為標(biāo)準(zhǔn)，需要將加速度值兩次積分計(jì)算出位移值，在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)測(cè)值不穩(wěn)定及低頻信號(hào)較大的問題。本文主要從加速度傳感器振動(dòng)偏大現(xiàn)象、原因、處理方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

加速度傳感器；速度；位移；積分；振動(dòng)評(píng)價(jià)

0 引言

新安江水力發(fā)電廠9號(hào)機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)以來，出現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備投運(yùn)運(yùn)行一段時(shí)間后定子鐵芯振動(dòng)測(cè)量值偏大。其具體現(xiàn)象為定子鐵芯振動(dòng)測(cè)量值某一段不在有效量程范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量值為1000～2000μm，且測(cè)量值出現(xiàn)跳變不穩(wěn)定的情況。發(fā)現(xiàn)該問題后，在現(xiàn)場(chǎng)兩次進(jìn)行試驗(yàn)：

第一次為2013年9月，試驗(yàn)內(nèi)容為機(jī)組空轉(zhuǎn)空載對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為未加勵(lì)磁時(shí)振動(dòng)測(cè)量值小，加勵(lì)磁后，振動(dòng)測(cè)量值偏大。初步懷疑為傳感器安裝處電磁干擾較大，影響了傳感器的測(cè)量。

第二次是2014年3月，出現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)測(cè)量值偏大，該設(shè)備投運(yùn)初期定子鐵芯振動(dòng)測(cè)量值較小。根據(jù)歷史查詢，2013年9月后，定子鐵芯振動(dòng)測(cè)量值突然變化為較大的值，且振動(dòng)測(cè)量值超量程。初步懷疑為檢修期間上電導(dǎo)致傳感器損壞。到現(xiàn)場(chǎng)更換傳感器后，振動(dòng)測(cè)量值減小，運(yùn)行一段時(shí)間后，振動(dòng)測(cè)值繼續(xù)增大。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成后，將所更換的傳感器及積分器在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傳感器及積分器情況良好。

1 對(duì)比試驗(yàn)

通過上述介紹，目前尚未對(duì)定子鐵芯振動(dòng)測(cè)量值大的原因做出準(zhǔn)確判斷，結(jié)合前兩次試驗(yàn)及加速度傳感器情況進(jìn)行分析，大概有三種可能性：①勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)傳感器干擾較大；②加速度和積分器的配合不佳；③現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振動(dòng)較大。

由于振動(dòng)測(cè)試臺(tái)測(cè)試環(huán)境比較簡單，難以模擬出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，無法復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象，因此到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上述可能性進(jìn)行分析，首先采用防磁型振動(dòng)位移傳感器作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基準(zhǔn)，其測(cè)量排除了電磁干擾及積分器配合問題，并且進(jìn)行了標(biāo)定，可以測(cè)量出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際振動(dòng)。采用一組普通振動(dòng)位移傳感器進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)干擾問題。然后選擇一組國外振動(dòng)加速度傳感器和國內(nèi)振動(dòng)加速度傳感器與積分器配合，與標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試積分器配合問題。對(duì)比采用4組傳感器：①豪瑞斯振動(dòng)速度傳感器MLS-9；②精信防磁型振動(dòng)速度傳感器JX-61；③精信防磁型振動(dòng)加速度傳感器JX32配合積分器；④現(xiàn)場(chǎng)恩泰克振動(dòng)加速度傳感器EK-9200L配合積分器。選擇第二種傳感器作為基準(zhǔn)傳感器。

第一組和第二組對(duì)比，通過MLS-9傳感器與JX61傳感器對(duì)比確定電磁干擾對(duì)傳感器的振動(dòng)測(cè)量影響以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振動(dòng)是否較大。

第三組和第四組對(duì)比，確定JX32與EK-9200L振動(dòng)加速度傳感器和積分器的匹配性以及與基準(zhǔn)傳感器做對(duì)比。

2014年6月12日，攜帶上述試驗(yàn)設(shè)備前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程為在上機(jī)架、下機(jī)架、定子鐵芯及頂蓋位置分別安裝上述4種傳感器，測(cè)點(diǎn)安裝位置處于同一位置，保證測(cè)點(diǎn)實(shí)際振動(dòng)一致。通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)錄波對(duì)比，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：同一測(cè)點(diǎn)同一時(shí)間段內(nèi)，JX32傳感器加積分器與EK-9200L傳感器加積分器測(cè)量結(jié)果較為接近，測(cè)值都比較大；MLS-9振動(dòng)傳感器和JX-61防磁型振動(dòng)傳感器較為接近，測(cè)值都比較小。具體波形見圖1～圖4。

圖1 EK-9200L振動(dòng)傳感器加積分器波形圖

圖2 JX32傳感器加積分器波形圖

圖3 JX61振動(dòng)傳感器波形圖

圖4 MLS-9振動(dòng)傳感器波形圖

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，圖3標(biāo)準(zhǔn)傳感器JX61測(cè)量峰峰值為79μm，表明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振動(dòng)較小。而通過MLS-9傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出兩個(gè)結(jié)論：首先MLOS-9測(cè)量振動(dòng)峰峰值為97μm，兩者較為接近，排除了現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)電磁干擾的問題。其次傳感器的測(cè)量頻譜段不一樣，在主要頻率段，兩者數(shù)據(jù)一致。但是JX61超低頻分量（0.25Hz及以下）較多，而MLS-9超高頻分量（100Hz及以上）較多，導(dǎo)致了兩者測(cè)量數(shù)據(jù)之間的微小差距。而9200L和JX32傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)一致，峰峰值都為2200μm以上，且波形雜亂，說明傳感器和積分器的配合存在問題。因此，通過對(duì)比試驗(yàn)可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振動(dòng)較小，測(cè)量點(diǎn)沒有受到電磁干擾較大的影響，與采用振動(dòng)加速度傳感器選擇國內(nèi)及國外關(guān)系不大，而與積分器的積分性能有較大關(guān)系。通過對(duì)比試驗(yàn)后，確認(rèn)了下一步的現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)方案，即采用振動(dòng)位移傳感器直接輸出電壓作為采集值，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振動(dòng)。

2 理論分析

從理論上分析，振動(dòng)位移、速度和加速度的關(guān)系如下：

振動(dòng)加速度a=Asin2πft+B

速度v=∫a（t）dt=Asin（2πf t-π/2）/ 2πf+B×t

位移s=∫v（t）dt=Asin（2πf t-π）/（2πf）2+B×t2/2

其中，f是振動(dòng)頻率。

從公式中可以看出，在積分過程中，直流分量積分兩次后會(huì)成為較大的趨勢(shì)相項(xiàng)，其次加速度積分后位移幅值與頻率成反比例關(guān)系，在頻率較低時(shí)，積分兩次之后可能產(chǎn)生很大的位移值。在配合積分器使用時(shí)，會(huì)進(jìn)行高通濾波，因此趨勢(shì)項(xiàng)會(huì)被濾除掉。在濾掉趨勢(shì)項(xiàng)后：

振動(dòng)加速度a=Asin2πft

速度v=∫a（t）dt=Asin（2πf t-π/2）/2πf

位移s=∫v（t）dt=Asin（2πf t-π）/（2πf）2

三者之間的幅值關(guān)系為：

s=v/2πf=a/（2πf）2

理論上，加速度在時(shí)域上進(jìn)行兩次積分可以得到位移，但加速度經(jīng)過兩次積分后想獲得位移，積分的結(jié)果卻與現(xiàn)實(shí)有很大的偏差，具體原因如下：

（1）測(cè)試獲得的加速度信號(hào)中存在很多干擾成分，由于應(yīng)用在水輪機(jī)機(jī)組上，機(jī)組振動(dòng)頻率較低且其振動(dòng)加速度較小，接收到的信號(hào)是毫伏級(jí)別的，和信號(hào)傳輸過程中干擾信號(hào)能量級(jí)別相當(dāng)，在進(jìn)行積分前必須對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，然后濾波，否則積分的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)問題。

（2）無論是硬件積分還是軟件積分均存在低頻放大、高頻截止的特性。信號(hào)中的低頻，是很難積分的，因?yàn)榉e分就要出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻在分母上，頻率很低（如0.01Hz時(shí)）時(shí)，其倒數(shù)就會(huì)很大。這就要涉及濾波器的設(shè)計(jì)了，選擇什么樣的濾波器，把哪些頻率濾掉，是一個(gè)很關(guān)鍵的問題；同時(shí)，只要有濾波，就會(huì)影響測(cè)值的大小，如果濾波方法選擇不合理，誤差就更大，應(yīng)用在水電機(jī)組上時(shí)，其有效范圍為0.5～200Hz，應(yīng)該在該范圍內(nèi)進(jìn)行合理的積分。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用來看，為了避免積分，直接采用振動(dòng)位移傳感器或振動(dòng)速度傳感器輸出是最真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上所述，采用振動(dòng)位移型傳感器，由于位移型傳感器不需要積分，或已進(jìn)行過一次積分，從硬件電路上采用合理的濾波方式，可以解決積分器測(cè)量誤差較大的問題。電廠現(xiàn)場(chǎng)更換振動(dòng)位移傳感器之后，測(cè)值一直比較穩(wěn)定，且與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)一致。振動(dòng)位移型傳感器測(cè)量準(zhǔn)確性高，可以對(duì)測(cè)值進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量頻率范圍廣，尤其在水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)頻率較低的情況下使用較為合適。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要每年傳感器進(jìn)行標(biāo)定。如采用國外傳感器，建議使用振動(dòng)速度型傳感器，直接采用速度值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能使振動(dòng)測(cè)量成為有效、可靠的監(jiān)測(cè)方法，提高振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)于設(shè)備保護(hù)及狀態(tài)檢修的可靠性。

[1] 顧名坤，呂振華. 基于振動(dòng)加速度測(cè)量的振動(dòng)速度和位移信號(hào)識(shí)別方法探討.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30（4）：522-526.

王建勇（1963—），男，工程師，主要研究方向：水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。E-mail：xajwjy@126.com

程瀟黠（1985—），男，工程師，主要研究方向：水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及檢修。E-mail：chengxiaoxia@sgepri.sgcc.com.cn

Acceleration Sensor Performance Analysis for Turbine Vibration Monitoring

WANG Jianyong1，CHENG Xiaoxia2
（1.State Grid Xin Yuan Company Limited Xin’anjiang Hydropower Plant，Jiande 311608，China；2.Nanjing NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China）

The acceleration sensor is more and more used for the vibration monitoring of the hydroelectric generating unit. As the vibration evaluation adopts displacement value as the standard，it needs two times integral calculation for the displacement value. In the practical application，there are problems of measurement instability and low frequency signal distortion. This paper mainly expounds the phenomenon，reason and treatment method of vibration measurement distortion of accelerometer.

acceleration sensor；velocity；displacement；integral calculus；vibration evaluation