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　　1概述水電站水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視是提高機(jī)組運(yùn)行安全性、可靠性，降低維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的主要參數(shù)有溫度、振動(dòng)、擺度、定轉(zhuǎn)子電流、電壓等。溫度和電量的監(jiān)測(cè)一直較被重視，在水電站的計(jì)算機(jī)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(dòng)與擺度的監(jiān)測(cè)卻在很多水電廠的監(jiān)控中沒(méi)有。然而，在水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行中，由于各種原因（如電氣、機(jī)械和水力等因素），可能造成機(jī)組擺度和振動(dòng)過(guò)大甚至超標(biāo)，有時(shí)也可能誘發(fā)共振而導(dǎo)致某些部件振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)將危及機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的擺度和振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是非常必要的。

　　水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題與一般動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)有所不同，運(yùn)行中的機(jī)組，由于受流體（通過(guò)轉(zhuǎn)輪的水流）、機(jī)械和電磁三者的作用及相互影響，機(jī)組的振動(dòng)往往是機(jī)械、電氣、流體的耦合振動(dòng)，完全按三者的耦合關(guān)系來(lái)研究機(jī)組的振動(dòng)是非常復(fù)雜的，目前還難以建立可進(jìn)行分析計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)踐中往往根據(jù)水電站所積累的典型經(jīng)驗(yàn)，將引起振動(dòng)的振源劃分為機(jī)械、水力、電氣三個(gè)方面的因素，并分別就三種振源所導(dǎo)致的不同類型的振動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算與研究。

　　近年來(lái)，國(guó)外以PC微機(jī)為基礎(chǔ)，應(yīng)用振動(dòng)傳感器對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析的系統(tǒng)相繼面世，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(guó)內(nèi)也有不少單位在研究開(kāi)發(fā)機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我們?cè)谖�收�?guó)內(nèi)外有關(guān)裝置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。它以工業(yè)PC機(jī)為主體，以振動(dòng)信號(hào)處理分析軟件為核心，并與安裝于被測(cè)部位的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)傳感器相連組成機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的周期性監(jiān)測(cè)，能夠不斷地在線監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)的變化情況，以便為機(jī)組安全運(yùn)行和系統(tǒng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)AGC、AVC功能提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)還能正確提供機(jī)組缺陷的緩慢變化過(guò)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(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)硬件總體簡(jiǎn)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(jī)的運(yùn)行電壓降回到其額定值，則發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)也可恢復(fù)到額定值。既改善了發(fā)電機(jī)和主變的運(yùn)行條件，又可發(fā)足無(wú)功功率。

　　2 .2已投產(chǎn)的農(nóng)村水電站對(duì)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(gè)好辦法。一般以增加原有繞組匝數(shù)的10為準(zhǔn)，匝數(shù)增加之后應(yīng)將3檔（5 、0、5）的抽頭按要求進(jìn)行改接。

　　變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)的增加，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行。首先進(jìn)行吊芯測(cè)量，視測(cè)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(yīng)盡量利用空間位置力爭(zhēng)多增加一些匝數(shù)。若空間位置裕度過(guò)小，難以增加繞組匝數(shù)，則應(yīng)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(yǔ)農(nóng)村水電站可根據(jù)各自的具體情況，采用補(bǔ)救措施，既可克服電站無(wú)功不足的缺陷，又能改善發(fā)電機(jī)、主變的運(yùn)行條件，可以提高農(nóng)村水電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)系列升壓變壓器，以滿足農(nóng)村水電站需要，也填補(bǔ)了該系列變壓器的空白。

　　[作者簡(jiǎn)介]趙令驥，男，高級(jí)工程師（本文編輯：徐占國(guó)）報(bào)警接點(diǎn)輸出4路繼電器輸出快速高精度A/ D變換卡IPC610P工控機(jī)變送器信號(hào)預(yù)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(dòng)傳感器擺度傳感器壓力脈動(dòng)傳感器整個(gè)硬件系統(tǒng)由PC工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)、A/D變換器、信號(hào)預(yù)處理板、通訊轉(zhuǎn)換模塊、繼電器報(bào)警輸出模塊、擺度、振動(dòng)傳感器和壓力脈動(dòng)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(cè)上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)的大軸擺動(dòng)4只振動(dòng)傳感器（可根據(jù)實(shí)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(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組機(jī)架和水輪機(jī)頂蓋的振動(dòng)情況2只壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)尾水管中壓力脈動(dòng)。此外，為便于分析振動(dòng)與出力、工作水頭和下游水位的關(guān)系，還需要將機(jī)組的有功功率、上游水位和下游水位通過(guò)其相應(yīng)的變送器（這些變送器在電站的監(jiān)控系統(tǒng)中均已裝設(shè)）引入該振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。

　　由于檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)有的是有用的，而有的可能是疊加的干擾信號(hào)，有的信號(hào)可能很強(qiáng)，而有的信號(hào)又可能很弱，因此，通常對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)先要作一些調(diào)理，信號(hào)預(yù)處理板就是用于完成該項(xiàng)工作。同時(shí)由于振動(dòng)信號(hào)需要快速采樣和較高的檢測(cè)精度，故振動(dòng)信號(hào)采集需選用快速高精度A/D變換卡。

　　而對(duì)于機(jī)組有功功率和上、下游水位，相對(duì)來(lái)說(shuō)是慢速信號(hào)，故可選用臺(tái)灣研華公司的ADAM亞當(dāng)模塊（即8路A/ D變送器ADAM 4017）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)亞當(dāng)模塊ADAM 4520（即RS232/ RS485通訊轉(zhuǎn)換模塊）實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的通信。而對(duì)于振動(dòng)越限信號(hào)，可通過(guò)具有4路繼電器輸出的亞當(dāng)模塊ADAM 4060作為報(bào)警信號(hào)輸出。

　　PC工控機(jī)是機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的核心部分，可選用臺(tái)灣研華公司的IPC610P工控機(jī)（一般配置16M以上內(nèi)存、1.2 G以上硬盤(pán)、主頻為166 MHz以上的Pentium微處理機(jī)）作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理機(jī)，且配置14口寸以上的顯示器作為機(jī)組振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)顯示，另配一臺(tái)打印機(jī)作為圖形輸出工具。

　　2 .2傳感器的選擇正確選擇振動(dòng)傳感器，是保證機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(duì)于機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)一般可采用直接測(cè)量或間接測(cè)量?jī)煞N方法，但間接測(cè)量法有可能導(dǎo)致信號(hào)失真和存在一定的誤差。因此，大多數(shù)情況下采用直接測(cè)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(jī)組大軸擺動(dòng)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(dòng)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(guó)內(nèi)國(guó)外都有多家定型產(chǎn)品可供選擇。如國(guó)外著名的美國(guó)本特利公司生產(chǎn)的3300和3301系列、德國(guó)菲利浦公司的PR6422、PR6423和德國(guó)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(guó)內(nèi)的有清華大學(xué)精儀系開(kāi)發(fā)的8505等多種產(chǎn)品，北京測(cè)振儀器廠開(kāi)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(duì)于機(jī)組固定部件的振動(dòng)情況，通�？刹捎么烹娛剿俣葌鞲衅骰驂弘娛郊铀俣葌鞲衅鬟M(jìn)行直接測(cè)量。當(dāng)用速度傳感器測(cè)量時(shí)，可測(cè)得的是被測(cè)振動(dòng)部件相對(duì)于大地或慣性空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(duì)式傳感器）。其測(cè)得的信號(hào)是被測(cè)部件的振動(dòng)速度，經(jīng)積分后可得振動(dòng)部件的振動(dòng)幅值而加速度傳感器測(cè)得的信號(hào)是被測(cè)部件振動(dòng)的加速度，經(jīng)一次積分后可得振動(dòng)的速度，經(jīng)二次積分后可得被測(cè)部件的振動(dòng)幅值。速度傳感器和加速度傳感器各有其特點(diǎn)，它們?cè)跈C(jī)械振動(dòng)測(cè)量中均有應(yīng)用。磁電式速度傳感器的特點(diǎn)是傳感器本體不需要電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈敏度高，可測(cè)量微小振動(dòng)輸出信號(hào)大，電氣特性穩(wěn)定，不受外部噪聲干擾，對(duì)后接電源無(wú)特殊要求缺點(diǎn)是動(dòng)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(duì)來(lái)說(shuō)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(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。但由于壓電式加速度傳感器是由機(jī)電轉(zhuǎn)換元件組成的，其性能隨時(shí)間或其他因素影響而改變，因而在使用一定時(shí)間后要重新對(duì)靈敏度、頻率特性和動(dòng)態(tài)線性范圍進(jìn)行一次標(biāo)定。在這方面丹麥BK公司的加速度傳感器是國(guó)際名牌產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的江蘇揚(yáng)州無(wú)線電二廠、北京測(cè)振儀器廠、北戴河無(wú)線電廠也都生產(chǎn)多種壓電式加速度傳感器而國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所和清華大學(xué)精儀系卻分別開(kāi)發(fā)了891型和DP型地震式低頻振動(dòng)速度傳感器。因此機(jī)組固定部件的振動(dòng)測(cè)量，可根據(jù)實(shí)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(dòng)可選用有關(guān)壓力變送器。

　　此外，在具體各類傳感器確定時(shí)，還應(yīng)特別注意傳感器的頻率響應(yīng)和動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)踐表明，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷有意義的振動(dòng)，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(yīng)范圍應(yīng)大于被測(cè)設(shè)備振動(dòng)的頻率范圍，同時(shí)要求有較高的檢測(cè)精度。

　　3軟件系統(tǒng)3 .1系統(tǒng)信號(hào)及數(shù)據(jù)處理流程本振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的信號(hào)及數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。其中機(jī)組振動(dòng)傳感器、擺度傳感器及壓力脈動(dòng)傳感器檢測(cè)得到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(hào)后送工控機(jī)。而機(jī)組有功功率、上游和下游水位信號(hào)經(jīng)低速（相對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換而言）A/ D變換后，也送工控機(jī)。工控機(jī)則主要是對(duì)檢測(cè)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)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(shí)域分析、振動(dòng)波形及大幅擺度軌跡圖形處理和顯示、振動(dòng)及擺度幅值顯水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)蔡維由陳光大程遠(yuǎn)楚徐漢柯蔡天富實(shí)時(shí)顯示打印存儲(chǔ)報(bào)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(shí)域分析報(bào)警邏輯繪圖專家處理系統(tǒng)高速A/ D轉(zhuǎn)換信號(hào)預(yù)處理機(jī)組有功功率上游水位下游水位慢速信號(hào)快速信號(hào)振動(dòng)傳感器擺度傳感器壓力脈動(dòng)傳感器示，以及越限報(bào)警邏輯處理及打印輸出等。

　　3 .2系統(tǒng)軟件本振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的軟件是按功能模塊化編程的，整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能模塊化結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，可通過(guò)選項(xiàng)視窗選擇連續(xù)監(jiān)測(cè)或受控測(cè)量，以及通道率定（在投運(yùn)前）。

　　整個(gè)軟件系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的專家處理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)處理、FFT譜分析和頻域時(shí)域分析后的振動(dòng)信號(hào)，分別按頻譜特性、幅值時(shí)間特性和三導(dǎo)大軸擺動(dòng)軌跡進(jìn)行波形處理和繪圖，以供顯示和打印輸出，并對(duì)越限信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。

　　當(dāng)系統(tǒng)處于連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，可通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)選擇下一級(jí)功能模塊，并依此類推，以便能通過(guò)顯示器觀察機(jī)組振動(dòng)、擺度及壓力脈動(dòng)的頻譜特性、時(shí)間幅值特性和三導(dǎo)大軸擺動(dòng)軌跡圖等。

　　4系統(tǒng)功能本振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的主要功能有連續(xù)監(jiān)測(cè)和受控測(cè)量?jī)煞N。

　　4 .1連續(xù)監(jiān)測(cè)連續(xù)監(jiān)測(cè)是該系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)情況的主要功能。可用來(lái)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示機(jī)組各導(dǎo)軸承處的擺度幅值、發(fā)電機(jī)機(jī)架和水輪機(jī)頂蓋的振動(dòng)幅值、尾水管壓力脈動(dòng)幅值，并可調(diào)用顯示和打印輸出三導(dǎo)大軸擺動(dòng)軌跡、擺度、振動(dòng)、壓力脈動(dòng)的頻譜特性和時(shí)域值特性等。

　　4 .2受控測(cè)量受控測(cè)量有兩種，其中受控測(cè)量1是指在人為控制下監(jiān)測(cè)感興趣的工況或某一時(shí)段的機(jī)組振動(dòng)情況。當(dāng)選用該功能時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度信息和尾水管壓力脈動(dòng)進(jìn)行掃描采集并形成數(shù)據(jù)文件，并可對(duì)其進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)或拷貝下來(lái)進(jìn)行離線分析。

　　受控測(cè)量2是指在人為預(yù)先設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)（即該時(shí)段可通過(guò)記錄數(shù)來(lái)設(shè)定）對(duì)機(jī)組振動(dòng)情況進(jìn)行記錄（一般是預(yù)先已知某工況機(jī)組振動(dòng)較強(qiáng)，而專門進(jìn)行測(cè)量的），而此時(shí)采集得到的是記錄文件（而不是數(shù)據(jù)文件），但可通過(guò)返讀將該記錄文件轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)文件，再通過(guò)示波器功能，即可轉(zhuǎn)換為觀測(cè)所得的記錄波形，此時(shí)，還可存儲(chǔ)拷貝后進(jìn)行離線分析。

　　5結(jié)語(yǔ)該系統(tǒng)是在國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)后設(shè)計(jì)而成的振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，也可作為對(duì)具體振動(dòng)工況進(jìn)行受控測(cè)量等多種檢測(cè)功能。與監(jiān)控系統(tǒng)配合，可作為無(wú)人值班（少人值守）電站的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置，為電站的安全運(yùn)行提供可靠保證，為機(jī)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(yīng)用前景。