關(guān)注：
1概述水電站水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)視是提高機組運行安全性、可靠性，降低維護成本，提高經(jīng)濟效益的重要途徑。反映機組運行狀態(tài)的主要參數(shù)有溫度、振動、擺度、定轉(zhuǎn)子電流、電壓等。溫度和電量的監(jiān)測一直較被重視，在水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)中一般都有此功能，且有成熟的技術(shù)，而振動與擺度的監(jiān)測卻在很多水電廠的監(jiān)控中沒有。然而，在水輪發(fā)電機組的運行中，由于各種原因（如電氣、機械和水力等因素），可能造成機組擺度和振動過大甚至超標，有時也可能誘發(fā)共振而導致某些部件振動加劇，嚴重時將危及機組的安全運行。因此，對水輪發(fā)電機組運行中的擺度和振動進行在線監(jiān)測是非常必要的。 水輪發(fā)電機組的振動問題與一般動力機械的振動有所不同，運行中的機組，由于受流體（通過轉(zhuǎn)輪的水流）、機械和電磁三者的作用及相互影響，機組的振動往往是機械、電氣、流體的耦合振動，完全按三者的耦合關(guān)系來研究機組的振動是非常復雜的，目前還難以建立可進行分析計算的數(shù)學模型，實踐中往往根據(jù)水電站所積累的典型經(jīng)驗，將引起振動的振源劃分為機械、水力、電氣三個方面的因素，并分別就三種振源所導致的不同類型的振動進行分析計算與研究。 近年來，國外以PC微機為基礎(chǔ)，應用振動傳感器對機組的振動、擺度進行監(jiān)測分析的系統(tǒng)相繼面世，并取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。如瑞典的VIMOS系統(tǒng)、西班牙的COMPASS系統(tǒng)、挪威的IMPULS系統(tǒng)等。而國內(nèi)也有不少單位在研究開發(fā)機組振動監(jiān)測系統(tǒng)。我們在吸收國內(nèi)外有關(guān)裝置特點的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了水輪發(fā)電機組振動的在線監(jiān)測分析系統(tǒng)。它以工業(yè)PC機為主體，以振動信號處理分析軟件為核心，并與安裝于被測部位的振動、擺度、壓力脈動傳感器相連組成機組振動在線監(jiān)測分析系統(tǒng)。通過對機組振動的周期性監(jiān)測，能夠不斷地在線監(jiān)測機組振動的變化情況，以便為機組安全運行和系統(tǒng)調(diào)度實現(xiàn)AGC、AVC功能提供科學依據(jù)。同時，振動在線監(jiān)測分析系統(tǒng)還能正確提供機組缺陷的緩慢變化過程，為狀態(tài)檢修提供可靠的信息依據(jù)。 2系統(tǒng)配置及組成2 .1硬件系統(tǒng)組成本振動監(jiān)測分析系統(tǒng)硬件總體簡化框圖如圖1所示。 要滿足0.4/ 11±5 kV的要求。選用這種電壓比的變壓器做主變，其輸出電壓要比采用普通配變做主變的輸出電壓高10 .所以可使發(fā)電機的運行電壓降回到其額定值，則發(fā)電機的運行功率因數(shù)也可恢復到額定值。既改善了發(fā)電機和主變的運行條件，又可發(fā)足無功功率。 2 .2已投產(chǎn)的農(nóng)村水電站對這類已投產(chǎn)的老電站，采用增加變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)是個好辦法。一般以增加原有繞組匝數(shù)的10為準，匝數(shù)增加之后應將3檔（5 、0、5）的抽頭按要求進行改接。 變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)的增加，應按如下步驟進行。首先進行吊芯測量，視測量結(jié)果空間裕度大小最后確定增加的匝數(shù)值。若空間位置能夠安裝下原有繞組匝數(shù)的10，則以增加原有匝數(shù)的10 為限。若空間位置不能裝下原有繞組匝數(shù)的10 ，則應盡量利用空間位置力爭多增加一些匝數(shù)。若空間位置裕度過小，難以增加繞組匝數(shù)，則應重新選配電壓比為0.4/ 11±5 kV的升壓變壓器做電站的主變用。 3結(jié)語農(nóng)村水電站可根據(jù)各自的具體情況，采用補救措施，既可克服電站無功不足的缺陷，又能改善發(fā)電機、主變的運行條件，可以提高農(nóng)村水電站運行的安全性和經(jīng)濟性。 此外，筆者建議有關(guān)科研、生產(chǎn)單位，研制10 kV電壓等級標準系列升壓變壓器，以滿足農(nóng)村水電站需要，也填補了該系列變壓器的空白。 [作者簡介]趙令驥，男，高級工程師（本文編輯：徐占國）報警接點輸出4路繼電器輸出快速高精度A/ D變換卡IPC610P工控機變送器信號預處理板下游水位變送器上游水位變送器有功功率變送器振動傳感器擺度傳感器壓力脈動傳感器整個硬件系統(tǒng)由PC工控機、顯示器、打印機、A/D變換器、信號預處理板、通訊轉(zhuǎn)換模塊、繼電器報警輸出模塊、擺度、振動傳感器和壓力脈動傳感器、功率變送器及上、下游水位變送器等組成。 其中6只擺度傳感器（即電渦流型接觸式傳感器）分別用于監(jiān)測上導、下導和水導的大軸擺動4只振動傳感器（可根據(jù)實際情況選用磁電式速度傳感器或壓電式加速度傳感器）用來監(jiān)測發(fā)電機組機架和水輪機頂蓋的振動情況2只壓力傳感器用于監(jiān)測尾水管中壓力脈動。此外，為便于分析振動與出力、工作水頭和下游水位的關(guān)系，還需要將機組的有功功率、上游水位和下游水位通過其相應的變送器（這些變送器在電站的監(jiān)控系統(tǒng)中均已裝設）引入該振動監(jiān)測分析系統(tǒng)。 由于檢測到的振動信號有的是有用的，而有的可能是疊加的干擾信號，有的信號可能很強，而有的信號又可能很弱，因此，通常對檢測到的信號先要作一些調(diào)理，信號預處理板就是用于完成該項工作。同時由于振動信號需要快速采樣和較高的檢測精度，故振動信號采集需選用快速高精度A/D變換卡。 而對于機組有功功率和上、下游水位，相對來說是慢速信號，故可選用臺灣研華公司的ADAM亞當模塊（即8路A/ D變送器ADAM 4017）進行A/D轉(zhuǎn)換，再通過亞當模塊ADAM 4520（即RS232/ RS485通訊轉(zhuǎn)換模塊）實現(xiàn)與工控機的通信。而對于振動越限信號，可通過具有4路繼電器輸出的亞當模塊ADAM 4060作為報警信號輸出。 PC工控機是機組振動監(jiān)測分析系統(tǒng)的核心部分，可選用臺灣研華公司的IPC610P工控機（一般配置16M以上內(nèi)存、1.2 G以上硬盤、主頻為166 MHz以上的Pentium微處理機）作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理機，且配置14口寸以上的顯示器作為機組振動情況的實時顯示，另配一臺打印機作為圖形輸出工具。 2 .2傳感器的選擇正確選擇振動傳感器，是保證機組振動監(jiān)測分析系統(tǒng)可靠正確工作的前提條件。根據(jù)專家研究結(jié)果，對于機械設備的振動一般可采用直接測量或間接測量兩種方法，但間接測量法有可能導致信號失真和存在一定的誤差。因此，大多數(shù)情況下采用直接測量方法為宜。而電渦流傳感器比速度傳感器或加速度傳感器更能提供可靠的機組大軸擺動狀態(tài)參數(shù)，因而采用電渦流傳感器直接監(jiān)視大軸的擺動情況是非常有效的。因此，擺度傳感器可選用電渦流型接觸式傳感器。在這方面，國內(nèi)國外都有多家定型產(chǎn)品可供選擇。如國外著名的美國本特利公司生產(chǎn)的3300和3301系列、德國菲利浦公司的PR6422、PR6423和德國申克公司的SD05系列等多種電渦流傳感器都是普遍采用的。國內(nèi)的有清華大學精儀系開發(fā)的8505等多種產(chǎn)品，北京測振儀器廠開發(fā)的85811系列產(chǎn)品，珠海天瑞公司（即原航空航天部第608研究所）生產(chǎn)的CWYD0系列產(chǎn)品等。 對于機組固定部件的振動情況，通常可采用磁電式速度傳感器或壓電式加速度傳感器進行直接測量。當用速度傳感器測量時，可測得的是被測振動部件相對于大地或慣性空間的絕對運動。因此，通常稱速度傳感器為慣性式傳感器（或稱地震式傳感器，也可稱為絕對式傳感器）。其測得的信號是被測部件的振動速度，經(jīng)積分后可得振動部件的振動幅值而加速度傳感器測得的信號是被測部件振動的加速度，經(jīng)一次積分后可得振動的速度，經(jīng)二次積分后可得被測部件的振動幅值。速度傳感器和加速度傳感器各有其特點，它們在機械振動測量中均有應用。磁電式速度傳感器的特點是傳感器本體不需要電源，結(jié)構(gòu)簡單靈敏度高，可測量微小振動輸出信號大，電氣特性穩(wěn)定，不受外部噪聲干擾，對后接電源無特殊要求缺點是動態(tài)范圍有限，尺寸和重量比加速度傳感器大，其中的彈簧件相對來說容易失效。而壓電式加速度傳感器卻具有體積小、重量輕、靈敏度高和頻率范圍寬等優(yōu)點，因而得到了廣泛應用。但由于壓電式加速度傳感器是由機電轉(zhuǎn)換元件組成的，其性能隨時間或其他因素影響而改變，因而在使用一定時間后要重新對靈敏度、頻率特性和動態(tài)線性范圍進行一次標定。在這方面丹麥BK公司的加速度傳感器是國際名牌產(chǎn)品，國內(nèi)的江蘇揚州無線電二廠、北京測振儀器廠、北戴河無線電廠也都生產(chǎn)多種壓電式加速度傳感器而國家地震局工程力學研究所和清華大學精儀系卻分別開發(fā)了891型和DP型地震式低頻振動速度傳感器。因此機組固定部件的振動測量，可根據(jù)實際情況選用加速度傳感器或速度傳感器。而尾水管的壓力脈動可選用有關(guān)壓力變送器。 此外，在具體各類傳感器確定時，還應特別注意傳感器的頻率響應和動態(tài)范圍。實踐表明，對水輪發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷有意義的振動，其頻率通常在1/ 4分頻轉(zhuǎn)速到10倍頻轉(zhuǎn)速，因此，選用的傳感器其頻率響應范圍應大于被測設備振動的頻率范圍，同時要求有較高的檢測精度。 3軟件系統(tǒng)3 .1系統(tǒng)信號及數(shù)據(jù)處理流程本振動監(jiān)測分析系統(tǒng)的信號及數(shù)據(jù)處理流程簡圖如圖2所示。其中機組振動傳感器、擺度傳感器及壓力脈動傳感器檢測得到的信號經(jīng)信號處理板調(diào)理后，由快速高精度A/ D變換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送工控機。而機組有功功率、上游和下游水位信號經(jīng)低速（相對高速A/D轉(zhuǎn)換而言）A/ D變換后，也送工控機。工控機則主要是對檢測送來的信號進行數(shù)據(jù)處理和分析，其中主要包括數(shù)字濾波、數(shù)字積分、FFT譜分析、頻域時域分析、振動波形及大幅擺度軌跡圖形處理和顯示、振動及擺度幅值顯水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測分析系統(tǒng)蔡維由陳光大程遠楚徐漢柯蔡天富實時顯示打印存儲報警輸出低速A/ D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波數(shù)字積分FFT譜分析頻域時域分析報警邏輯繪圖專家處理系統(tǒng)高速A/ D轉(zhuǎn)換信號預處理機組有功功率上游水位下游水位慢速信號快速信號振動傳感器擺度傳感器壓力脈動傳感器示，以及越限報警邏輯處理及打印輸出等。 3 .2系統(tǒng)軟件本振動監(jiān)測分析系統(tǒng)的軟件是按功能模塊化編程的，整個軟件系統(tǒng)的功能模塊化結(jié)構(gòu)如圖3所示。當系統(tǒng)啟動后，可通過選項視窗選擇連續(xù)監(jiān)測或受控測量，以及通道率定（在投運前）。 整個軟件系統(tǒng)實際上是一個復雜的專家處理系統(tǒng)。經(jīng)過軟件系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)處理、FFT譜分析和頻域時域分析后的振動信號，分別按頻譜特性、幅值時間特性和三導大軸擺動軌跡進行波形處理和繪圖，以供顯示和打印輸出，并對越限信號進行報警。 當系統(tǒng)處于連續(xù)監(jiān)測時，可通過鍵盤來選擇下一級功能模塊，并依此類推，以便能通過顯示器觀察機組振動、擺度及壓力脈動的頻譜特性、時間幅值特性和三導大軸擺動軌跡圖等。 4系統(tǒng)功能本振動監(jiān)測分析系統(tǒng)的主要功能有連續(xù)監(jiān)測和受控測量兩種。 4 .1連續(xù)監(jiān)測連續(xù)監(jiān)測是該系統(tǒng)在線監(jiān)測機組運行中振動情況的主要功能�？捎脕碓诰�實時監(jiān)測并顯示機組各導軸承處的擺度幅值、發(fā)電機機架和水輪機頂蓋的振動幅值、尾水管壓力脈動幅值，并可調(diào)用顯示和打印輸出三導大軸擺動軌跡、擺度、振動、壓力脈動的頻譜特性和時域值特性等。 4 .2受控測量受控測量有兩種，其中受控測量1是指在人為控制下監(jiān)測感興趣的工況或某一時段的機組振動情況。當選用該功能時，系統(tǒng)將自動對機組的振動、擺度信息和尾水管壓力脈動進行掃描采集并形成數(shù)據(jù)文件，并可對其進行顯示、存儲或拷貝下來進行離線分析。 受控測量2是指在人為預先設定的一段時間內(nèi)（即該時段可通過記錄數(shù)來設定）對機組振動情況進行記錄（一般是預先已知某工況機組振動較強，而專門進行測量的），而此時采集得到的是記錄文件（而不是數(shù)據(jù)文件），但可通過返讀將該記錄文件轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)文件，再通過示波器功能，即可轉(zhuǎn)換為觀測所得的記錄波形，此時，還可存儲拷貝后進行離線分析。 5結(jié)語該系統(tǒng)是在國內(nèi)外有關(guān)機組振動監(jiān)測分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)優(yōu)化設計和改進后設計而成的振動監(jiān)測分析系統(tǒng)。它具有功能比較齊全、工作穩(wěn)定性好，通道率定方便，既可作為長期實時連續(xù)監(jiān)測，也可作為對具體振動工況進行受控測量等多種檢測功能。與監(jiān)控系統(tǒng)配合，可作為無人值班（少人值守）電站的機組狀態(tài)監(jiān)測的裝置，為電站的安全運行提供可靠保證，為機組的狀態(tài)檢修提供可靠的理論依據(jù)，因而具有廣泛的應用前景。
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