水電機組振動傳感器校準
——基于B&K實驗臺與PULSE分析系統

曹 斌，姚 澤，徐廣文(.廣州粵能電力科技開發有限公司，廣州 50080；. 廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 50080)

為深刻吸取“薩揚事故”慘痛教訓，國家電力監管委員會于2010年1月下發了《關于吸取俄羅斯薩揚水電站事故教訓，進一步加強水電站安全監督管理的意見》一文。該文中針對水電機組振動及運行穩定性問題提出了以下意見：加強水電機組狀態監測，大中型水電機組應安裝機組在線監測裝置，要重視并加強主要機電設備的運行狀態監測，尤其要加強機組振動、擺度等運行參數的監測、記錄和分析。對于機組振動、擺度突然增大超過標準的異常運行情況，應當立即停機檢查，查明原因和處理合格后，方可按規定程序恢復機組運行。

水電機組狀態監測主要通過對表征機組運行狀態的各參量進行監測，其運行狀態與機械、電氣、油、氣、水等都有直接關系[1,2]。據統計，水輪發電機組約有80%的故障或事故都在振動信號中有所反映，而振動傳感器作為信息采集系統的首要部件，是水電機組開展狀態監測與故障診斷的基礎[3-5]。由于振動傳感器工作于強振動沖擊、高溫及強電磁干擾等惡劣環境下，極易引起傳感器性能惡化或損壞，從而影響振動監測系統工作的可靠性。因此，定期對振動傳感器進行校準，保證振動監測系統的可靠性和準確性是實現電廠高效安全運行的必要條件[6]。

1 振動計量標準裝置介紹

廣東電網有限責任公司電力科學研究院振動計量標準裝置采用丹麥B&K公司生產的3629型比較法振動校準系統，系統配置結構見圖1，系統實物圖見圖2。該系統硬件包括4808中頻便攜式標準振動臺、APS-500超低頻標準振動臺、2719功率放大器、3560C多通道信號發生器及分析系統、8305標準加速度計配2692電荷放大器、7290A-10標準低頻加速度計配2697A差分放大器。該系統的硬件部分除校準振動臺及標準加速度計外，其他部分均達到高度集成化與數字化，系統軟件采用配套的7700-N2雙通道噪聲和振動分析軟件，整套系統最低校準頻率可達到0.5 Hz，最高校準頻率達到2 kHz。整套系統目前處于國際先進水平，并通過了中國計量科學院的檢定。

2010年5月比較法振動標準裝置(中頻)完成了建標工作，并獲得了南網計量標準考核證書，并于2014年3月完成了標準復查工作。證書號為〔2014〕 南網量標 熱證字第A011號。系統的測量范圍：頻率20～2 000 Hz；加速度1～80 m/s2，不確定度或準確度等級為2.0%(k=2)。

2014年8月比較法振動標準裝置(低頻水平方向)完成了建標工作，并獲得了南網計量標準考核證書，證書號為〔2014〕 南網量標熱證字第A012號。系統的測量范圍：頻率1～100 Hz；加速度0.5～30 m/s2，不確定度或準確度等級為2.4%(k=2)。

圖1 振動計量標準裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of standard measurement device for vibration

振動傳感器的校準方法分為絕對法和相對法，絕對法主要應用于量值傳遞和少數對精度要求較高的計量機構[7,8]。該裝置采用振動標準套組與被檢傳感器或測振儀直接比較的方法。即將標準裝置傳感器和被檢傳感器或被檢測振儀的傳感器背靠背剛性地安裝于同軸線的臺體中心，調節標準振動發生裝置的振動頻率和振幅，同時讀取振動標準裝置的示值和被校儀表的示值，通過比較二者示值，對振動傳感器或工作測振儀進行校準或檢定。

圖2 振動計量標準裝置實物圖Fig.2 Physical diagram of standard measurement device for vibration

2 水電廠振動擺度傳感器檢定情況分析

從2011年開始，廣東電網有限責任公司電力科學研究院陸續對粵電集團下屬的新豐江水電廠、楓樹壩水電廠、青溪水電廠、蓬辣灘水電廠機組安裝的振動在線監測系統中的振動、擺度、鍵相及抬機量傳感器進行了檢定。在檢定過程中發現了大量的問題，既有傳感器本身存在的問題，也有傳感器選型方面存在的問題。

傳感器是感受物體運動并將物體的運動轉換成模擬電信號的一種靈敏的換能元件。傳感器的線性度、重復性、回差(或稱遲滯)及靈敏度是衡量傳感器靜態特性最重要的幾個指標。傳感器性能優劣或損壞與否，可以通過幅值線性度曲線和頻響曲線反映出來[9]。

2.1 電渦流位移傳感器檢定

國標對各種傳感器都有相應的檢定規程。依據JJG 644-2003《振動位移傳感器檢定規程》對電渦流位移傳感器進行檢定，對于電渦流位移傳感器計量性能如下，參考靈敏度校準的不確定度為3.0%，頻率響應0～5 000 Hz范圍內為0.5 dB，幅值線性度為±10%。

對于測量中用支架固定的傳感器，在檢定中要用適合的支架將被檢傳感器固定在標準振動臺臺面垂直方向上的合適位置，并確保支架及傳感器非活動部分與振動臺臺體之間不產生相對運動；對于測量中不用支架固定，可直接安裝在被測振動體上的傳感器，在檢定中應將被檢傳感器剛性地安裝在標準振動臺臺面上。

2.1.1電渦流位移傳感器頻率響應的檢定

在傳感器的動態范圍內，均勻地選取不少于7個頻率值(包括上、下限值)，在保持振動臺位移恒定的情況下，測量各頻率點傳感器的輸出值，并計算出各點的動態位移靈敏度。然后按下式計算各測量點靈敏度與動態參考靈敏度的相對偏差：

式中：δfi為第i個頻率點的動態靈敏度與動態參考靈敏度的相對偏差；sdi為第i個頻率點的動態靈敏度；sd為動態參考靈敏度。

頻率響應是保持傳感器振動輸入量不變的情況下，其輸出量隨頻率變化的關系，理想的傳感器頻率響應曲線是一條與頻率軸垂直的直線，但實際應用中的傳感器在低頻和高頻部分常常表現出上凸或下凹的現象。

楓樹壩水電廠采用德國申克IN-081型一體化電渦流位移傳感器，靈敏度4 mV/μm，頻響范圍0～20 kHz，量程范圍0.2～4.2 mm；廣東粵電青溪發電廠采用廣州精信JX70一體化電渦流位移傳感器，靈敏度8 mV/μm，量程2 mm。表1為申克IN-081與精信JX70電渦流位移傳感器頻率響應測試結果，頻率響應曲線如圖3所示。

表1 IN-081與JX70頻率響應測試結果Tab.1 Frequency response of the IN-081 and JX70

圖3 IN-081與JX70頻率響應曲線Fig 3 Frequency response curve of the IN-081 and JX70

2.1.2電渦流位移傳感器動態幅值線性度檢定

在傳感器的頻率范圍內選取某一實用的頻率值，并在校準振動臺可達到的振動位移幅值內選取5個位移值進行激振．分別測量各位移點的傳感器輸出值和振動臺的位移幅值，計算出各測量點傳感器的動態位移靈敏度，然后按下式計算各測量點靈敏度與動態參考靈敏度的相對偏差：

式中：δdri為第i個位移點的動態靈敏度與參考靈敏度的相對偏差；sdi為第i位移點的動態位移靈敏度；sd為動態參考靈敏度。

動態幅值線性度是指在確定的頻率下，傳感器的輸出隨振動輸入的變化規律，理想線性度曲線是一條通過坐標原點的直線。表2為申克IN-081與廣州精信JX70位移傳感器動態幅值線性度測試結果，線性度曲線如圖4所示。

由圖3、圖4所顯示的傳感器性能曲線可知，申克IN-081與廣州精信JX70位移傳感器均具有良好的性能，可繼續用于水電機組的振動監測。

表2 IN-081與JX70線性度測試結果Tab.2 Test result of linearity of the IN-081 and JX70

圖4 IN-081與JX70幅值線性度曲線Fig 4 amplitude linearity curve of the IN-081 and JX70

2.2 振動速度傳感器檢定

依據JJG 134-2003《磁電式速度傳感器檢定規程》對速度傳感器進行檢定。速度傳感器計量性能要求為：參考速度靈敏度不確定度為3%，頻率響應為±10%，幅值線性度為±5%。

將標準加速度計和被測傳感器背靠背剛性地安裝在振動臺臺面中心(或肩并肩安裝，但要使其感受相同的振動)，在被測傳感器動態范圍內選取某一實用的頻率和速度值進行正弦激振，其被測傳感器的輸出電壓值與所承受的振動速度值之比為該傳感器的參考速度靈敏度。

新豐江水電廠所采用的北京豪瑞斯MLS-9型低頻磁電式速度傳感器，靈敏度為5 mV/μm，量程范圍±0.5 mm，頻響范圍0.5～80 Hz。采用B&K實驗臺與PULSE分析系統進行檢定得到頻率響應測試結果如表3所示，頻率特性曲線如圖5所示。在振動速度傳感器檢定過程中發現，由于該傳感器使用年限較長，其高頻部分的頻響特性已明顯變差，由表3可知，該批傳感器40Hz以上的頻響特性基本上都不合格。

表3 MLS-9型水平與垂直速度傳感器頻響測試結果Tab.3 Frequency response of the MLS-9 velocity sensor on horizontal and vertical direction

圖5 MLS-9型水平與垂直振動速度傳感器頻響曲線Fig.5 curve of the frequency response for MLS-9 velocity sensor on horizontal and vertical direction

3 結 語

目前，B&K實驗臺與PULSE分析系統已用于多個水電廠多臺機組振動在線監測系統的振動、擺度、鍵相及抬機量傳感器的檢定。利用該系統能準確地檢定出水電機組振動傳感器的靈敏度、頻率響應和動態幅值線性度，從而判斷其能否繼續用于機組的振動監測。

從目前的檢定情況來看，無論是傳感器本身，還是傳感器選型方面，都存在許多問題。為此，特提出以下四點建議，為各個水電廠今后的選型及維護提供參考。

(1)磁電式振動速度傳感器一定要按照國標GB/T 28570《水輪發電機組狀態在線監測系統技術導則》中的要求，頻響范圍保證為0.5～200 Hz，如果機組轉速很低，可以考慮將下限頻率定為0.3 Hz甚至更低。

(2)建議各電廠對每臺機組的振動、擺度及鍵相等傳感器均統一型號，尤其是傳感器的供電方式上，保證每臺機組均可以通用，以降低電廠維護及管理的成本。

(3)從電渦流位移傳感器的檢定情況來看，國產一體化電渦流傳感器由于尺寸所限，其探頭屏蔽措施不好，導致靜態時存在電磁干擾，建議如果采用國產電渦流傳感器，盡量采用帶前置器的型號。進口的一體化電渦流傳感器，如楓樹壩電廠采用的德國申克公司的一體化電渦流傳感器在檢定中未發現該現象。

(4)從各個電廠的傳感器送檢情況來看，沒有一臺機組能夠保證所有傳感器都合格，有些機組的不合格傳感器還較多。建議各個電廠要備足各個測點的備品傳感器，同時及時將備品傳感器送檢。按照國標要求1年要檢定一次，考慮電廠實際情況，至少要保證2年檢定一次。

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[1] 梁 興.水電機組故障振動測試分析[J].中國農村水利水電, 2014,(1):165-168.

[2] 孫召輝,姚 澤,周云飛.樂昌峽水電廠2號機組振動故障分析與處理[J].中國農村水利水電,2014,(8):158-160.

[3] 陳遺志,周建中,常 黎.水電機組振動監測與故障診斷系統研究[J].電力系統及其自動化學報, 2002,14(2):35-38.

[4] 劉俊偉.基于振動傳感器的校準應用與實現[J].東方企業文化,2012,(10):115.

[5] 匙慶磊.低頻標準振動臺系統和振動校準技術研究[J]. 國際地震動態,2015,(4):40-41.

[6] 徐 健.電渦流傳感器動/靜態自動校驗儀的研究[J].儀表技術,2014,(9):51-54.

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[8] 楊雪松,李長春,母東杰,等.正弦激勵法在傳感器校準中的新應用[J].傳感器與微系統,2014,33(7):154-156,160.

[9] 范立莉,馬曉茜,姚 澤,等. 基于PULSE分析系統的水電機組振動監測系統校準[J].水利水電技術, 2010, 41(1):64-67.