水轮发电机组振动监测分析系统蔡维由陈光大程远楚徐汉柯蔡天富（武汉水利电力大学李嵋洪（浙江天荒坪抽水蓄能电厂）统配置和功能，该系统可作为无人值班（少人值守）电站机组运行状态监测装置，因而具有广泛的应用前景。
1概述水电站水轮发电机组运行状态监视是提高机组运行安全性、可靠性，降低维护成本，提高经济效益的重要途径。反映机组运行状态的主要参数有温度、振动、摆度、定转子电流、电压等。温度和电量的监测一直较被重视，在水电站的计算机监控系统中一般都有此功能，且有成熟的技术，而振动与摆度的监测却在很多水电厂的监控中没有。然而，在水轮发电机组的运行中，由于各种原因（如电气、机械和水力等因素），可能造成机组摆度和振动过大甚至超标，有时也可能诱发共振而导致某些部件振动加剧，严重时将危及机组的安全运行。因此，对水轮发电机组运行中的摆度和振动进行在线监测是非常必要的。
水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有所不同，运行中的机组，由于受流体（通过转轮的水流）、机械和电磁三者的作用及相互影响，机组的振动往往是机械、电气、流体的耦合振动，完全按三者的耦合关系来研究机组的振动是非常复杂的，目前还难以建立可进行分析计算的数学模型，实践中往往根据水电站所积累的典型经验，将引起振动的振源划分为机械、水力、电气三个方面的因素，并分别就三种振源所导致的不同类型的振动进行分析计算与研究。
近年来，国外以PC微机为基础，应用振动传感器对机组的振动、摆度进行监测分析的系统相继面世，并取得了显著的经济效益和社会效益。如瑞典的VIMOS系统、西班牙的COMPASS系统、挪威的IMPULS系统等。而国内也有不少单位在研究开发机组振动监测系统。我们在吸收国内外有关装置特点的基础上，研制开发了水轮发电机组振动的在线监测分析系统。它以工业PC机为主体，以振动信号处理分析软件为核心，并与安装于被测部位的振动、摆度、压力脉动传感器相连组成机组振动在线监测分析系统。通过对机组振动的周期性监测，能够不断地在线监测机组振动的变化情况，以便为机组安全运行和系统调度实现AGC、AVC功能提供科学依据。同时，振动在线监测分析系统还能正确提供机组缺陷的缓慢变化过程，为状态检修提供可靠的信息依据。
2系统配置及组成2 .1硬件系统组成本振动监测分析系统硬件总体简化框图如图1所示。
要满足0.4/ 11±5 kV的要求。选用这种电压比的变压器做主变，其输出电压要比采用普通配变做主变的输出电压高10 .所以可使发电机的运行电压降回到其额定值，则发电机的运行功率因数也可恢复到额定值。既改善了发电机和主变的运行条件，又可发足无功功率。
2 .2已投产的农村水电站对这类已投产的老电站，采用增加变压器高压侧绕组匝数是个好办法。一般以增加原有绕组匝数的10为准，匝数增加之后应将3档（5 、0、5）的抽头按要求进行改接。
变压器高压侧绕组匝数的增加，应按如下步骤进行。首先进行吊芯测量，视测量结果空间裕度大小最后确定增加的匝数值。若空间位置能够安装下原有绕组匝数的10，则以增加原有匝数的10 为限。若空间位置不能装下原有绕组匝数的10 ，则应尽量利用空间位置力争多增加一些匝数。若空间位置裕度过小，难以增加绕组匝数，则应重新选配电压比为0.4/ 11±5 kV的升压变压器做电站的主变用。
3结语农村水电站可根据各自的具体情况，采用补救措施，既可克服电站无功不足的缺陷，又能改善发电机、主变的运行条件，可以提高农村水电站运行的安全性和经济性。
此外，笔者建议有关科研、生产单位，研制10 kV电压等级标准系列升压变压器，以满足农村水电站需要，也填补了该系列变压器的空白。
[作者简介]赵令骥，男，高级工程师（本文编辑：徐占国）报警接点输出4路继电器输出快速高精度A/ D变换卡IPC610P工控机变送器信号预处理板下游水位变送器上游水位变送器有功功率变送器振动传感器摆度传感器压力脉动传感器整个硬件系统由PC工控机、显示器、打印机、A/D变换器、信号预处理板、通讯转换模块、继电器报警输出模块、摆度、振动传感器和压力脉动传感器、功率变送器及上、下游水位变送器等组成。
其中6只摆度传感器（即电涡流型接触式传感器）分别用于监测上导、下导和水导的大轴摆动4只振动传感器（可根据实际情况选用磁电式速度传感器或压电式加速度传感器）用来监测发电机组机架和水轮机顶盖的振动情况2只压力传感器用于监测尾水管中压力脉动。此外，为便于分析振动与出力、工作水头和下游水位的关系，还需要将机组的有功功率、上游水位和下游水位通过其相应的变送器（这些变送器在电站的监控系统中均已装设）引入该振动监测分析系统。
由于检测到的振动信号有的是有用的，而有的可能是叠加的干扰信号，有的信号可能很强，而有的信号又可能很弱，因此，通常对检测到的信号先要作一些调理，信号预处理板就是用于完成该项工作。同时由于振动信号需要快速采样和较高的检测精度，故振动信号采集需选用快速高精度A/D变换卡。
而对于机组有功功率和上、下游水位，相对来说是慢速信号，故可选用台湾研华公司的ADAM亚当模块（即8路A/ D变送器ADAM 4017）进行A/D转换，再通过亚当模块ADAM 4520（即RS232/ RS485通讯转换模块）实现与工控机的通信。而对于振动越限信号，可通过具有4路继电器输出的亚当模块ADAM 4060作为报警信号输出。
PC工控机是机组振动监测分析系统的核心部分，可选用台湾研华公司的IPC610P工控机（一般配置16M以上内存、1.2 G以上硬盘、主频为166 MHz以上的Pentium微处理机）作为整个系统的数据处理机，且配置14口寸以上的显示器作为机组振动情况的实时显示，另配一台打印机作为图形输出工具。
2 .2传感器的选择正确选择振动传感器，是保证机组振动监测分析系统可靠正确工作的前提条件。根据专家研究结果，对于机械设备的振动一般可采用直接测量或间接测量两种方法，但间接测量法有可能导致信号失真和存在一定的误差。因此，大多数情况下采用直接测量方法为宜。而电涡流传感器比速度传感器或加速度传感器更能提供可靠的机组大轴摆动状态参数，因而采用电涡流传感器直接监视大轴的摆动情况是非常有效的。因此，摆度传感器可选用电涡流型接触式传感器。在这方面，国内国外都有多家定型产品可供选择。如国外著名的美国本特利公司生产的3300和3301系列、德国菲利浦公司的PR6422、PR6423和德国申克公司的SD05系列等多种电涡流传感器都是普遍采用的。国内的有清华大学精仪系开发的8505等多种产品，北京测振仪器厂开发的85811系列产品，珠海天瑞公司（即原航空航天部第608研究所）生产的CWYD0系列产品等。
对于机组固定部件的振动情况，通常可采用磁电式速度传感器或压电式加速度传感器进行直接测量。当用速度传感器测量时，可测得的是被测振动部件相对于大地或惯性空间的绝对运动。因此，通常称速度传感器为惯性式传感器（或称地震式传感器，也可称为绝对式传感器）。其测得的信号是被测部件的振动速度，经积分后可得振动部件的振动幅值而加速度传感器测得的信号是被测部件振动的加速度，经一次积分后可得振动的速度，经二次积分后可得被测部件的振动幅值。速度传感器和加速度传感器各有其特点，它们在机械振动测量中均有应用。磁电式速度传感器的特点是传感器本体不需要电源，结构简单灵敏度高，可测量微小振动输出信号大，电气特性稳定，不受外部噪声干扰，对后接电源无特殊要求缺点是动态范围有限，尺寸和重量比加速度传感器大，其中的弹簧件相对来说容易失效。而压电式加速度传感器却具有体积小、重量轻、灵敏度高和频率范围宽等优点，因而得到了广泛应用。但由于压电式加速度传感器是由机电转换元件组成的，其性能随时间或其他因素影响而改变，因而在使用一定时间后要重新对灵敏度、频率特性和动态线性范围进行一次标定。在这方面丹麦BK公司的加速度传感器是国际名牌产品，国内的江苏扬州无线电二厂、北京测振仪器厂、北戴河无线电厂也都生产多种压电式加速度传感器而国家地震局工程力学研究所和清华大学精仪系却分别开发了891型和DP型地震式低频振动速度传感器。因此机组固定部件的振动测量，可根据实际情况选用加速度传感器或速度传感器。而尾水管的压力脉动可选用有关压力变送器。
此外，在具体各类传感器确定时，还应特别注意传感器的频率响应和动态范围。实践表明，对水轮发电机组的状态监视和故障诊断有意义的振动，其频率通常在1/ 4分频转速到10倍频转速，因此，选用的传感器其频率响应范围应大于被测设备振动的频率范围，同时要求有较高的检测精度。
3软件系统3 .1系统信号及数据处理流程本振动监测分析系统的信号及数据处理流程简图如图2所示。其中机组振动传感器、摆度传感器及压力脉动传感器检测得到的信号经信号处理板调理后，由快速高精度A/ D变换卡转换成数字信号后送工控机。而机组有功功率、上游和下游水位信号经低速（相对高速A/D转换而言）A/ D变换后，也送工控机。工控机则主要是对检测送来的信号进行数据处理和分析，其中主要包括数字滤波、数字积分、FFT谱分析、频域时域分析、振动波形及大幅摆度轨迹图形处理和显示、振动及摆度幅值显水轮发电机组振动监测分析系统蔡维由陈光大程远楚徐汉柯蔡天富实时显示打印存储报警输出低速A/ D转换数据处理数字滤波数字积分FFT谱分析频域时域分析报警逻辑绘图专家处理系统高速A/ D转换信号预处理机组有功功率上游水位下游水位慢速信号快速信号振动传感器摆度传感器压力脉动传感器示，以及越限报警逻辑处理及打印输出等。
3 .2系统软件本振动监测分析系统的软件是按功能模块化编程的，整个软件系统的功能模块化结构如图3所示。当系统启动后，可通过选项视窗选择连续监测或受控测量，以及通道率定（在投运前）。
整个软件系统实际上是一个复杂的专家处理系统。经过软件系统各种数据处理、FFT谱分析和频域时域分析后的振动信号，分别按频谱特性、幅值时间特性和三导大轴摆动轨迹进行波形处理和绘图，以供显示和打印输出，并对越限信号进行报警。
当系统处于连续监测时，可通过键盘来选择下一级功能模块，并依此类推，以便能通过显示器观察机组振动、摆度及压力脉动的频谱特性、时间幅值特性和三导大轴摆动轨迹图等。
4系统功能本振动监测分析系统的主要功能有连续监测和受控测量两种。
4 .1连续监测连续监测是该系统在线监测机组运行中振动情况的主要功能。可用来在线实时监测并显示机组各导轴承处的摆度幅值、发电机机架和水轮机顶盖的振动幅值、尾水管压力脉动幅值，并可调用显示和打印输出三导大轴摆动轨迹、摆度、振动、压力脉动的频谱特性和时域值特性等。
4 .2受控测量受控测量有两种，其中受控测量1是指在人为控制下监测感兴趣的工况或某一时段的机组振动情况。当选用该功能时，系统将自动对机组的振动、摆度信息和尾水管压力脉动进行扫描采集并形成数据文件，并可对其进行显示、存储或拷贝下来进行离线分析。
受控测量2是指在人为预先设定的一段时间内（即该时段可通过记录数来设定）对机组振动情况进行记录（一般是预先已知某工况机组振动较强，而专门进行测量的），而此时采集得到的是记录文件（而不是数据文件），但可通过返读将该记录文件转换为数据文件，再通过示波器功能，即可转换为观测所得的记录波形，此时，还可存储拷贝后进行离线分析。
5结语该系统是在国内外有关机组振动监测分析系统的基础上，经优化设计和改进后设计而成的振动监测分析系统。它具有功能比较齐全、工作稳定性好，通道率定方便，既可作为长期实时连续监测，也可作为对具体振动工况进行受控测量等多种检测功能。与监控系统配合，可作为无人值班（少人值守）电站的机组状态监测的装置，为电站的安全运行提供可靠保证，为机组的状态检修提供可靠的理论依据，因而具有广泛的应用前景。
1刘晓亭。水力机组现场测试手册。北京：水利电力出版社，1993 2徐敏等主编。设备故障诊断手册。西安：西安交通大学出版社， 1998 [作者简介]蔡维由，男， 55岁，教授（本文编辑：徐占国）作图设定滤波设定采样设定报警设定打印存盘设定摆度时窗摆度频谱振动时窗振动频谱振动～负荷关系曲线振动～水头关系曲线轴心轨迹频域时域分析、报警逻辑、绘图、专家处理系统数字滤波、数字积分、FFT谱分析受控测量通道率定受控测量1连续监测软件系统模块选择水轮发电机组振动监测分析系统蔡维由陈光大程远楚徐汉柯蔡天富