水电机组振动传感器校准
——基于B&K实验台与PULSE分析系统

曹 斌，姚 泽，徐广文(.广州粤能电力科技开发有限公司，广州 50080；. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 50080)

为深刻吸取“萨扬事故”惨痛教训，国家电力监管委员会于2010年1月下发了《关于吸取俄罗斯萨扬水电站事故教训，进一步加强水电站安全监督管理的意见》一文。该文中针对水电机组振动及运行稳定性问题提出了以下意见：加强水电机组状态监测，大中型水电机组应安装机组在线监测装置，要重视并加强主要机电设备的运行状态监测，尤其要加强机组振动、摆度等运行参数的监测、记录和分析。对于机组振动、摆度突然增大超过标准的异常运行情况，应当立即停机检查，查明原因和处理合格后，方可按规定程序恢复机组运行。

水电机组状态监测主要通过对表征机组运行状态的各参量进行监测，其运行状态与机械、电气、油、气、水等都有直接关系[1,2]。据统计，水轮发电机组约有80%的故障或事故都在振动信号中有所反映，而振动传感器作为信息采集系统的首要部件，是水电机组开展状态监测与故障诊断的基础[3-5]。由于振动传感器工作于强振动冲击、高温及强电磁干扰等恶劣环境下，极易引起传感器性能恶化或损坏，从而影响振动监测系统工作的可靠性。因此，定期对振动传感器进行校准，保证振动监测系统的可靠性和准确性是实现电厂高效安全运行的必要条件[6]。

1 振动计量标准装置介绍

广东电网有限责任公司电力科学研究院振动计量标准装置采用丹麦B&K公司生产的3629型比较法振动校准系统，系统配置结构见图1，系统实物图见图2。该系统硬件包括4808中频便携式标准振动台、APS-500超低频标准振动台、2719功率放大器、3560C多通道信号发生器及分析系统、8305标准加速度计配2692电荷放大器、7290A-10标准低频加速度计配2697A差分放大器。该系统的硬件部分除校准振动台及标准加速度计外，其他部分均达到高度集成化与数字化，系统软件采用配套的7700-N2双通道噪声和振动分析软件，整套系统最低校准频率可达到0.5 Hz，最高校准频率达到2 kHz。整套系统目前处于国际先进水平，并通过了中国计量科学院的检定。

2010年5月比较法振动标准装置(中频)完成了建标工作，并获得了南网计量标准考核证书，并于2014年3月完成了标准复查工作。证书号为〔2014〕 南网量标 热证字第A011号。系统的测量范围：频率20～2 000 Hz；加速度1～80 m/s2，不确定度或准确度等级为2.0%(k=2)。

2014年8月比较法振动标准装置(低频水平方向)完成了建标工作，并获得了南网计量标准考核证书，证书号为〔2014〕 南网量标热证字第A012号。系统的测量范围：频率1～100 Hz；加速度0.5～30 m/s2，不确定度或准确度等级为2.4%(k=2)。

图1 振动计量标准装置结构图Fig.1 Structure diagram of standard measurement device for vibration

振动传感器的校准方法分为绝对法和相对法，绝对法主要应用于量值传递和少数对精度要求较高的计量机构[7,8]。该装置采用振动标准套组与被检传感器或测振仪直接比较的方法。即将标准装置传感器和被检传感器或被检测振仪的传感器背靠背刚性地安装于同轴线的台体中心，调节标准振动发生装置的振动频率和振幅，同时读取振动标准装置的示值和被校仪表的示值，通过比较二者示值，对振动传感器或工作测振仪进行校准或检定。

图2 振动计量标准装置实物图Fig.2 Physical diagram of standard measurement device for vibration

2 水电厂振动摆度传感器检定情况分析

从2011年开始，广东电网有限责任公司电力科学研究院陆续对粤电集团下属的新丰江水电厂、枫树坝水电厂、青溪水电厂、蓬辣滩水电厂机组安装的振动在线监测系统中的振动、摆度、键相及抬机量传感器进行了检定。在检定过程中发现了大量的问题，既有传感器本身存在的问题，也有传感器选型方面存在的问题。

传感器是感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的换能元件。传感器的线性度、重复性、回差(或称迟滞)及灵敏度是衡量传感器静态特性最重要的几个指标。传感器性能优劣或损坏与否，可以通过幅值线性度曲线和频响曲线反映出来[9]。

2.1 电涡流位移传感器检定

国标对各种传感器都有相应的检定规程。依据JJG 644-2003《振动位移传感器检定规程》对电涡流位移传感器进行检定，对于电涡流位移传感器计量性能如下，参考灵敏度校准的不确定度为3.0%，频率响应0～5 000 Hz范围内为0.5 dB，幅值线性度为±10%。

对于测量中用支架固定的传感器，在检定中要用适合的支架将被检传感器固定在标准振动台台面垂直方向上的合适位置，并确保支架及传感器非活动部分与振动台台体之间不产生相对运动；对于测量中不用支架固定，可直接安装在被测振动体上的传感器，在检定中应将被检传感器刚性地安装在标准振动台台面上。

2.1.1电涡流位移传感器频率响应的检定

在传感器的动态范围内，均匀地选取不少于7个频率值(包括上、下限值)，在保持振动台位移恒定的情况下，测量各频率点传感器的输出值，并计算出各点的动态位移灵敏度。然后按下式计算各测量点灵敏度与动态参考灵敏度的相对偏差：

式中：δfi为第i个频率点的动态灵敏度与动态参考灵敏度的相对偏差；sdi为第i个频率点的动态灵敏度；sd为动态参考灵敏度。

频率响应是保持传感器振动输入量不变的情况下，其输出量随频率变化的关系，理想的传感器频率响应曲线是一条与频率轴垂直的直线，但实际应用中的传感器在低频和高频部分常常表现出上凸或下凹的现象。

枫树坝水电厂采用德国申克IN-081型一体化电涡流位移传感器，灵敏度4 mV/μm，频响范围0～20 kHz，量程范围0.2～4.2 mm；广东粤电青溪发电厂采用广州精信JX70一体化电涡流位移传感器，灵敏度8 mV/μm，量程2 mm。表1为申克IN-081与精信JX70电涡流位移传感器频率响应测试结果，频率响应曲线如图3所示。

表1 IN-081与JX70频率响应测试结果Tab.1 Frequency response of the IN-081 and JX70

图3 IN-081与JX70频率响应曲线Fig 3 Frequency response curve of the IN-081 and JX70

2.1.2电涡流位移传感器动态幅值线性度检定

在传感器的频率范围内选取某一实用的频率值，并在校准振动台可达到的振动位移幅值内选取5个位移值进行激振．分别测量各位移点的传感器输出值和振动台的位移幅值，计算出各测量点传感器的动态位移灵敏度，然后按下式计算各测量点灵敏度与动态参考灵敏度的相对偏差：

式中：δdri为第i个位移点的动态灵敏度与参考灵敏度的相对偏差；sdi为第i位移点的动态位移灵敏度；sd为动态参考灵敏度。

动态幅值线性度是指在确定的频率下，传感器的输出随振动输入的变化规律，理想线性度曲线是一条通过坐标原点的直线。表2为申克IN-081与广州精信JX70位移传感器动态幅值线性度测试结果，线性度曲线如图4所示。

由图3、图4所显示的传感器性能曲线可知，申克IN-081与广州精信JX70位移传感器均具有良好的性能，可继续用于水电机组的振动监测。

表2 IN-081与JX70线性度测试结果Tab.2 Test result of linearity of the IN-081 and JX70

图4 IN-081与JX70幅值线性度曲线Fig 4 amplitude linearity curve of the IN-081 and JX70

2.2 振动速度传感器检定

依据JJG 134-2003《磁电式速度传感器检定规程》对速度传感器进行检定。速度传感器计量性能要求为：参考速度灵敏度不确定度为3%，频率响应为±10%，幅值线性度为±5%。

将标准加速度计和被测传感器背靠背刚性地安装在振动台台面中心(或肩并肩安装，但要使其感受相同的振动)，在被测传感器动态范围内选取某一实用的频率和速度值进行正弦激振，其被测传感器的输出电压值与所承受的振动速度值之比为该传感器的参考速度灵敏度。

新丰江水电厂所采用的北京豪瑞斯MLS-9型低频磁电式速度传感器，灵敏度为5 mV/μm，量程范围±0.5 mm，频响范围0.5～80 Hz。采用B&K实验台与PULSE分析系统进行检定得到频率响应测试结果如表3所示，频率特性曲线如图5所示。在振动速度传感器检定过程中发现，由于该传感器使用年限较长，其高频部分的频响特性已明显变差，由表3可知，该批传感器40Hz以上的频响特性基本上都不合格。

表3 MLS-9型水平与垂直速度传感器频响测试结果Tab.3 Frequency response of the MLS-9 velocity sensor on horizontal and vertical direction

图5 MLS-9型水平与垂直振动速度传感器频响曲线Fig.5 curve of the frequency response for MLS-9 velocity sensor on horizontal and vertical direction

3 结 语

目前，B&K实验台与PULSE分析系统已用于多个水电厂多台机组振动在线监测系统的振动、摆度、键相及抬机量传感器的检定。利用该系统能准确地检定出水电机组振动传感器的灵敏度、频率响应和动态幅值线性度，从而判断其能否继续用于机组的振动监测。

从目前的检定情况来看，无论是传感器本身，还是传感器选型方面，都存在许多问题。为此，特提出以下四点建议，为各个水电厂今后的选型及维护提供参考。

(1)磁电式振动速度传感器一定要按照国标GB/T 28570《水轮发电机组状态在线监测系统技术导则》中的要求，频响范围保证为0.5～200 Hz，如果机组转速很低，可以考虑将下限频率定为0.3 Hz甚至更低。

(2)建议各电厂对每台机组的振动、摆度及键相等传感器均统一型号，尤其是传感器的供电方式上，保证每台机组均可以通用，以降低电厂维护及管理的成本。

(3)从电涡流位移传感器的检定情况来看，国产一体化电涡流传感器由于尺寸所限，其探头屏蔽措施不好，导致静态时存在电磁干扰，建议如果采用国产电涡流传感器，尽量采用带前置器的型号。进口的一体化电涡流传感器，如枫树坝电厂采用的德国申克公司的一体化电涡流传感器在检定中未发现该现象。

(4)从各个电厂的传感器送检情况来看，没有一台机组能够保证所有传感器都合格，有些机组的不合格传感器还较多。建议各个电厂要备足各个测点的备品传感器，同时及时将备品传感器送检。按照国标要求1年要检定一次，考虑电厂实际情况，至少要保证2年检定一次。

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[1] 梁 兴.水电机组故障振动测试分析[J].中国农村水利水电, 2014,(1):165-168.

[2] 孙召辉,姚 泽,周云飞.乐昌峡水电厂2号机组振动故障分析与处理[J].中国农村水利水电,2014,(8):158-160.

[3] 陈遗志,周建中,常 黎.水电机组振动监测与故障诊断系统研究[J].电力系统及其自动化学报, 2002,14(2):35-38.

[4] 刘俊伟.基于振动传感器的校准应用与实现[J].东方企业文化,2012,(10):115.

[5] 匙庆磊.低频标准振动台系统和振动校准技术研究[J]. 国际地震动态,2015,(4):40-41.

[6] 徐 健.电涡流传感器动/静态自动校验仪的研究[J].仪表技术,2014,(9):51-54.

[7] 付茂岳,郭 凯.振动传感器随机校准方法和正弦校准方法的比较[J].航天器环境工程,2011,(3):282-284.

[8] 杨雪松,李长春,母东杰,等.正弦激励法在传感器校准中的新应用[J].传感器与微系统,2014,33(7):154-156,160.

[9] 范立莉,马晓茜,姚 泽,等. 基于PULSE分析系统的水电机组振动监测系统校准[J].水利水电技术, 2010, 41(1):64-67.