基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環泵振動監測與狀態評估系統

傅堅　周孝法　黃山　方宇　陰春曉

摘 要：在高壓直流輸電系統中，智能化程度和可靠性的需求越來越高，迫切需要對換流站閥水冷系統核心設備主循環泵的運行狀態進行實時監測。從監測系統的功能需求出發，介紹了所提出的換流站閥水冷主循環泵振動信號監測系統的總體結構、數據采集單元硬件系統及軟件系統。依據標準中提出的振動烈度參數，作為主循環泵監測預警的閾值，基于虛擬儀器LabVIEW，開發了循環泵的監測系統軟件，測試結果表明可以有效的監測循環泵運行情況，保證閥水冷系統的安全穩定運行。

關鍵詞：LabVIEW 主循環泵 振動監測 振動烈度

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0007-03

作為直流輸電系統的核心設備，換流閥在運行時會產生大量的熱量。為保證換流閥的正常運行，必須對其進行冷卻。因此在高壓直流輸電系統中換流閥的冷卻系統就顯得尤為重要，可以說換流閥冷卻系統的穩定運行是直流輸電系統正常運行的前提和保證[1]。據不完全統計，某公司管轄的9個換流站自2004年至2010年所發生的52次單雙極閉鎖中有10次是由閥冷卻等輔助系統故障引起。內冷水主循環泵作為換流閥冷卻系統的核心設備，主要是為用于散熱的內冷水提供循環動力。穩定的冷卻水流量和壓力是換流閥對水冷設備的基本要求。因此主循環泵的穩定可靠運行，對整個閥冷系統的穩定性和安全性有著極為重要的意義。目前，未見國內外研究單位或機構對換流站閥內冷水主循環泵監測系統方面的研究報道。

該文提出了一種基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環泵振動監測與狀態評估系統，并將該系統應用于上海市電力公司所轄的楓涇換流站。現場試驗結果表明，該系統能有效的監測、評估主循環泵的運行狀態。

1 系統組成

1.1 系統總體設計

在機電設備的狀態監測和故障診斷中，可用于監測和診斷的信息很多，包括振動、溫度、壓力、電流等，其中振動信號能夠迅速直接地反映旋轉機械的運行狀態，據統計，70%以上的故障都以振動的形式表現出來。由此可見，對振動信號進行采集來實現對其狀態的監測和故障診斷是一種行之有效的方法[2]。該文所提出的換流站閥水冷主循環泵振動監測與狀態評估主要根據主循環泵的振動信號進行狀態監測和故障診斷。該系統由振動傳感器檢測循環泵振動信號，經信號調理電路及A/D轉換后進入PC機中的LabVIEW軟件進行分析、處理、存儲、顯示。

1.2 系統硬件

本系統采用的硬件有：PC機、數據采集卡、傳感器和采集設備，硬件結構如圖1所示。

1.2.1 傳感器

采用INV9832型IEPE型三向加速度傳感器及INV9822型IEPE單向加速度傳感器采集循環泵加速度信號，這兩款傳感器的特點是低阻抗輸出，抗干擾強，噪聲小，可以延長電纜輸出；性價比高，尤其適用于多點測量；傳感器前端有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固件表面上，穩定性高，能在惡劣環境下使用。INV9832型三向加速度傳感器的靈敏度為100 mv/g，最大工作加速度為50 g，頻率范圍為0.5～5 kHz，NV9822型IEPE單向加速度傳感器的靈敏度為100 mv/g，最大工作加速度為50 g，頻率范圍為0.5～5 kHz。

（1）傳感器布點。

傳感器布點位置直接關系到測試數據的準確性，根據標準[3]，泵非旋轉件的振動測量應在泵的軸承箱（軸承座）或靠近軸承處進行。在每臺泵的一處或幾處關鍵部位選為測點，測點應選在振動能量向彈性基礎或系統其他部件進行傳遞的部位，測點應選在軸承座、底座和出口法蘭處，軸承座處和靠近軸承處的測點為主要測點；泵腳、底座和出口法蘭處的測點稱為輔助測點。

測點位置及數量如圖2所示。

①泵軸承三向×2

②電機軸承單向×1

③泵出水口單向×1

④基座或基礎單向×1

1.2.2 數據采集卡

選用NI9234多功能數據采集卡，相關參數：軟件可選的IEPE信號調理（0 mA或2 mA），每通道最高51.2 kS/s采樣速率，交流耦合（0.5 Hz），24位分辨率，102 dB動態范圍，防混疊濾波器，4路同步采樣模擬輸入，±5V輸入范圍，兼容智能TEDS傳感器。

1.2.3 控制器

NI CompactRIO（cRIO）是一款工業級嵌入式測控平臺，外形小巧而堅固，滿足苛刻的工業級指標，具有寬溫（-40～70 ℃）和抗沖擊（50 g）等特性，特別適用于復雜工業環境中對可靠性有嚴格要求的應用。CompactRIO系統由控制器、機箱（內嵌FPGA芯片）和采集模塊三部分組成。CompactRIO內嵌PowerPC微處理器和FPGA芯片，支持上百種可熱插拔的I/O模塊，模塊中內置信號調理功能和數模轉換電路，可直接連接電壓、電流、電荷、ICP接口、電橋以及TEDS傳感器。此外cRIO實時控制器中配置了千兆以太網接口，可基于有線/無線連接，構建遠程測試系統。

1.3 系統軟件

1.3.1 軟件框架

軟件設計主要采用模塊化設計思路， 即將功能塊進行劃分。本系統是由信號采集、數據分析和處理、數據顯示、數據管理、警報等模塊組成。采用模塊化設計的優點在于，減小了設計難度、便于軟件的復用以及系統的調試和升級等[4]。LabVIEW編程方法不同于傳統程序設計方法，它擺脫了傳統語言線性結構的困擾。因為LabVIEW的執行順序是由數據流的方式確定的，而不是按照代碼行出現的順序，因此可設計出同時執行多個程序的流程圖[5]。在界面設計時，可從控制面板中選取所需的控制及數據顯示對象。利用LabVIEW軟件開發出具有形象按鈕的前面板，利用其強大的圖形化編程功能可以實現各種顯示和處理功能。這樣，只要對PC機面板上的按鈕進行操作就能完成監測任務[6]。系統界面圖及流程圖如圖3、圖4所示。endprint

1.3.2 預警判據的選擇

在國際標準中選用振動速度作為衡量振動激烈程度的參量，這是考慮到：振動速度可以反映出振動的能量，絕大多數機械設備的結構損壞都是由于振動速度過大引起的，機器的噪聲與振動速度成正比；對于同一機器的同一部分，相同的振動速度產生相同的應力；而且對于大多數的機器來說都具有相當平坦的速度頻譜等。所以我們依據標準選用振動烈度（振動速度的均方根值）作為判斷參數。

評價泵的振動級別，按泵的中心高和轉速將泵分為四類，見表1。

該換流站泵的型號是CPKN-C1 200～500，額定流量380 m3/h，揚程60 m，額定轉速1488 r/min，中心高425 mm，故該泵是第二類。

1.3.3 評價泵的振動級別

泵的振動級別分別為A、B、C、D四級，D為不合格。

2 試驗及結果分析

2.1 試驗條件

本次試驗地點在上海市金山區楓涇換流站，試驗對象是該換流站站內冷水循環泵，試驗條件：正常運行工況，轉速1488 r/min，采樣頻率2560 Hz，采樣時間1 h，試驗現場如圖5。

2.2 試驗結果及分析

根據表2中第二類泵的振動級別參數，可以看到5個測點共11個振動烈度均沒有超過2.8 mm/s，在B級以內，故判定泵的工作狀態正常。

3 結語

該文提出并構建了一套基于LabVIEW的換流站閥水冷主循環泵振動監測與評估系統，給出了監測系統從硬件的選型到上位機軟件的設計方法。該測試系統硬件結構簡單，可移植性強，適用于機械振動參數的測試；軟件平臺適用性與擴展性強。對換流閥主循環泵的運行狀態能實現實時監測，并對傳感器獲得的振動信號進行有效分析，依據泵的振動測試標準對其運行狀態進行評估、判定，為其狀態檢修提供依據，確保換流站閥水冷主循環泵的安全、穩定運行。

參考文獻

[1] 趙婉君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 馬松梅，馬孝江，苑宇.基于LabVIEW平臺的轉子特征譜分析[J].中國設備工程，2007（1）：44-46.

[3] GB/T 29531-2013泵的振動測量與評價方法[S].

[4] 李謙祥，胡靜濤.基于虛擬儀器的異步電動機試驗系統與應用[J].儀器儀表學報，2008，29（8）：577-580.

[5] 塘東煒，黃耀升，王宇華.基于虛擬儀器技術的旋轉機械故障監測及診斷系統[J].礦山機械，2006，34（2）：103-104.

[6] 瞿曌.基于LabVIEW的水電站在線實時監測系統[J].電力自動化設備，2004，24（2）：54-56.endprint