加速度传感器用于水轮发电机组振动监测的性能分析

王建勇，程潇黠

（1.国网新源控股有限公司新安江水力发电厂，浙江省建德市 311608；2.南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106）

加速度传感器用于水轮发电机组振动监测的性能分析

王建勇1，程潇黠2

（1.国网新源控股有限公司新安江水力发电厂，浙江省建德市 311608；2.南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106）

加速度传感器越来越多地应用到水轮发电机组的振动监测中，由于对振动的评价采用位移值作为标准，需要将加速度值两次积分计算出位移值，在实际应用过程中会出现测值不稳定及低频信号较大的问题。本文主要从加速度传感器振动偏大现象、原因、处理方法等几个方面进行了阐述。

加速度传感器；速度；位移；积分；振动评价

0 引言

新安江水力发电厂9号机组在线监测系统投运以来，出现在线监测设备投运运行一段时间后定子铁芯振动测量值偏大。其具体现象为定子铁芯振动测量值某一段不在有效量程范围内，振动测量值为1000～2000μm，且测量值出现跳变不稳定的情况。发现该问题后，在现场两次进行试验：

第一次为2013年9月，试验内容为机组空转空载对比试验，试验结果为未加励磁时振动测量值小，加励磁后，振动测量值偏大。初步怀疑为传感器安装处电磁干扰较大，影响了传感器的测量。

第二次是2014年3月，出现机组振动测量值偏大，该设备投运初期定子铁芯振动测量值较小。根据历史查询，2013年9月后，定子铁芯振动测量值突然变化为较大的值，且振动测量值超量程。初步怀疑为检修期间上电导致传感器损坏。到现场更换传感器后，振动测量值减小，运行一段时间后，振动测值继续增大。现场试验完成后，将所更换的传感器及积分器在振动测试台进行测试，发现传感器及积分器情况良好。

1 对比试验

通过上述介绍，目前尚未对定子铁芯振动测量值大的原因做出准确判断，结合前两次试验及加速度传感器情况进行分析，大概有三种可能性：①励磁系统对传感器干扰较大；②加速度和积分器的配合不佳；③现场实际振动较大。

由于振动测试台测试环境比较简单，难以模拟出现场的实际情况，无法复现现场现象，因此到现场进行对比试验。为了实现对上述可能性进行分析，首先采用防磁型振动位移传感器作为现场测量基准，其测量排除了电磁干扰及积分器配合问题，并且进行了标定，可以测量出现场的实际振动。采用一组普通振动位移传感器进行对比，测试现场励磁系统干扰问题。然后选择一组国外振动加速度传感器和国内振动加速度传感器与积分器配合，与标准传感器进行对比，测试积分器配合问题。对比采用4组传感器：①豪瑞斯振动速度传感器MLS-9；②精信防磁型振动速度传感器JX-61；③精信防磁型振动加速度传感器JX32配合积分器；④现场恩泰克振动加速度传感器EK-9200L配合积分器。选择第二种传感器作为基准传感器。

第一组和第二组对比，通过MLS-9传感器与JX61传感器对比确定电磁干扰对传感器的振动测量影响以及现场实际振动是否较大。

第三组和第四组对比，确定JX32与EK-9200L振动加速度传感器和积分器的匹配性以及与基准传感器做对比。

2014年6月12日，携带上述试验设备前往现场进行试验。试验过程为在上机架、下机架、定子铁芯及顶盖位置分别安装上述4种传感器，测点安装位置处于同一位置，保证测点实际振动一致。通过现场数据采集装置数据录波对比，发现如下现象：同一测点同一时间段内，JX32传感器加积分器与EK-9200L传感器加积分器测量结果较为接近，测值都比较大；MLS-9振动传感器和JX-61防磁型振动传感器较为接近，测值都比较小。具体波形见图1～图4。

图1 EK-9200L振动传感器加积分器波形图

图2 JX32传感器加积分器波形图

图3 JX61振动传感器波形图

图4 MLS-9振动传感器波形图

通过上述试验数据可以看出，图3标准传感器JX61测量峰峰值为79μm，表明现场实际振动较小。而通过MLS-9传感器测量数据对比可以得出两个结论：首先MLOS-9测量振动峰峰值为97μm，两者较为接近，排除了现场励磁系统电磁干扰的问题。其次传感器的测量频谱段不一样，在主要频率段，两者数据一致。但是JX61超低频分量（0.25Hz及以下）较多，而MLS-9超高频分量（100Hz及以上）较多，导致了两者测量数据之间的微小差距。而9200L和JX32传感器的测量数据一致，峰峰值都为2200μm以上，且波形杂乱，说明传感器和积分器的配合存在问题。因此，通过对比试验可知，现场实际振动较小，测量点没有受到电磁干扰较大的影响，与采用振动加速度传感器选择国内及国外关系不大，而与积分器的积分性能有较大关系。通过对比试验后，确认了下一步的现场改进方案，即采用振动位移传感器直接输出电压作为采集值，计算现场实际振动。

2 理论分析

从理论上分析，振动位移、速度和加速度的关系如下：

振动加速度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是振动频率。

从公式中可以看出，在积分过程中，直流分量积分两次后会成为较大的趋势相项，其次加速度积分后位移幅值与频率成反比例关系，在频率较低时，积分两次之后可能产生很大的位移值。在配合积分器使用时，会进行高通滤波，因此趋势项会被滤除掉。在滤掉趋势项后：

振动加速度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

三者之间的幅值关系为：

s=v/2πf=a/（2πf）2

理论上，加速度在时域上进行两次积分可以得到位移，但加速度经过两次积分后想获得位移，积分的结果却与现实有很大的偏差，具体原因如下：

（1）测试获得的加速度信号中存在很多干扰成分，由于应用在水轮机机组上，机组振动频率较低且其振动加速度较小，接收到的信号是毫伏级别的，和信号传输过程中干扰信号能量级别相当，在进行积分前必须对传感器信号进行放大，然后滤波，否则积分的结果会出现问题。

（2）无论是硬件积分还是软件积分均存在低频放大、高频截止的特性。信号中的低频，是很难积分的，因为积分就要出现转频在分母上，频率很低（如0.01Hz时）时，其倒数就会很大。这就要涉及滤波器的设计了，选择什么样的滤波器，把哪些频率滤掉，是一个很关键的问题；同时，只要有滤波，就会影响测值的大小，如果滤波方法选择不合理，误差就更大，应用在水电机组上时，其有效范围为0.5～200Hz，应该在该范围内进行合理的积分。

从现场实际应用来看，为了避免积分，直接采用振动位移传感器或振动速度传感器输出是最真实的测量结果。

3 结论

综上所述，采用振动位移型传感器，由于位移型传感器不需要积分，或已进行过一次积分，从硬件电路上采用合理的滤波方式，可以解决积分器测量误差较大的问题。电厂现场更换振动位移传感器之后，测值一直比较稳定，且与现场测量数据一致。振动位移型传感器测量准确性高，可以对测值进行标定，测量频率范围广，尤其在水轮发电机组振动频率较低的情况下使用较为合适。同时，在实际应用中，需要每年传感器进行标定。如采用国外传感器，建议使用振动速度型传感器，直接采用速度值作为评判标准，这样才能使振动测量成为有效、可靠的监测方法，提高振动监测对于设备保护及状态检修的可靠性。

[1] 顾名坤，吕振华. 基于振动加速度测量的振动速度和位移信号识别方法探讨.机械科学与技术，2011，30（4）：522-526.

王建勇（1963—），男，工程师，主要研究方向：水电站自动化监控系统。E-mail：xajwjy@126.com

程潇黠（1985—），男，工程师，主要研究方向：水电厂主设备状态监测及检修。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