【摘要】振動是影響水輪發電機組正常運行和危害機組壽命的主要故障，本文主要介紹6600監測儀表在水電機組的應用和配置要求。
【關鍵詞】水電機組 振動 頻率 轉速 電渦流傳感器
一、振動監測裝置主要技術要求
每臺機組振擺監測裝置配置一套振動、擺度在線監測系統，該單元系統包括傳感器、前置放大器、電纜、監測分析模塊。系統可以位移（毫米或微米）顯示振動、擺度的峰峰值，每個通道可輸出繼電器報警和4-20毫安模擬量信號到電站計算機監控系統。主要技術要求如下：
1）軸擺度測量
單元系統配置6個電渦流傳感器，分別在發電機上導軸承、下導軸承、和水輪機導軸承附近各安裝2個傳感器，用來測量主軸X和Y方向的擺度。傳感器、前置放大器引出線連接到發電機端子箱中。監測分析顯示單元安裝在發電機表計盤上，可與計算機監控系統通信傳輸數據。
2）機架和水輪機頂蓋振動
單元系統配置8個速度振動傳感器（頻率響應范圍0.5HZ開始）,其中2個傳感器安裝在上導軸承支架上，測量X和Y方向的水平振動；3個傳感器安裝在發電機下導軸承支架上，測量水平和X、Y方向的垂直振動；3個傳感器安裝在水輪機頂蓋上，測量水平和X、Y方向的振動。傳感器、前置放大器引出線連接到發電機端子箱中。監測分析顯示單元安裝在發電機表計盤上，可與計算機監控系統通信傳輸數據。
3）定子鐵芯振動
單元系統配置3組電磁振動傳感器（100HZ）,等間距布置在定子機座附近定子鐵心外緣中部。每組包括2個防磁加速度傳感器，分別測量鐵芯水平和垂直振動。傳感器、前置放大器引出線連接到發電機端子箱中。監測分析顯示單元安裝在發電機表計盤上，可與計算機監控系統通信傳輸數據。
4）定子機座振動測量
單元系統配置2個速度型振動傳感器（頻率響應范圍0.5HZ開始）,布置在定子鐵心緊固件內鐵芯2/3高度處，測量鐵芯X和Y方向的水平振動。傳感器、前置放大器引出線連接到發電機端子箱中。監測分析顯示單元安裝在發電機表計盤上，可與計算機監控系統通信傳輸數據。
二、單元系統主要配置及技術特點
6600機組振動擺度監測保護系統是由2100系列機組擺度傳感器、9200VO系列振動速度傳感器、6600系列機組振擺監測保護儀表組成。
6600監測儀表系統由若干個可獨立完成特定監測保護功能的監測表組成，每一塊監測表具有獨立的顯示器、DSP數據處理器、存儲器、電源、聯鎖繼電器、接線端子、通訊接口組成。可以通過現地編程實現需要的測量功能，而無須跳線、開關或更換器件。
· API670標準生產
· 每組表自備電源
· 背光點陣液晶顯示
· 數字化技術
· 系統狀態通過前面板編程
· FFT譜、倍頻幅值相位
· 30分鐘觸發狀態趨勢和當前頻譜
· 可升級EPROM固化軟件
· 提供MODBUS通訊協議
除傳統的監測保護功能外，6600系列儀表還提供頻率分析功能，包括倍頻分析（幅值和相位）、FFT分析、轉速分析。每一模塊均帶有RS-485串行通信接口，MODBUS通訊協議，可以與計算機或DCS系統（主控機）通訊。每一主控機可同時與若干個模塊通訊。在完成監測保護功能的同時，6600連續采集幅值數據，放入數據緩沖區內，以每分鐘一個的間隔連續記錄30分鐘的數據，共30個數據，數據采用先進先出方式。如果機器測點達到危險報警值，這些數據連同最新測量的頻譜被移入特殊保護的存儲區內。同一機組的所有儀表通過硬線可以組合到一起，機組的各測點中的某一點出現危險報警時，各監測表上述數據可同時被保存起來，供事故分析之用。所有記錄的數據可以通過串行接口與計算機通訊，傳到計算機中供詳細分析。
6600系列分析式監測保護儀表采用液晶棒條顯示和數字顯示結合的方式，第一頁面下部顯示幅值棒條，上部顯示數字值，數字顯示每五秒自動切換一次，第二頁面顯示轉速(需鍵相信號輸入)，探頭間隙電壓及模塊串行通信地址，由按鍵切換。全部可編程菜單可在屏幕上顯示，如傳感器故障和報警狀態也會自動顯示出來。
1、技術特點
6600系列保護系統基于先進的DSP數字電子技術，用于機組監測和保護。它不僅能監測機械的振動和軸位移等，也能監測相關的工藝參數，如溫度、壓力、流量以及透平參數TSI(殼漲、差漲、閥位和偏心)等等。產品通過ISO9001認證，滿足和超過API670標準以及本安型防爆標準。
1）儀表參數設置
全部監測參數和狀態可由前面板設置，不需更換任何器件和跳線。因此可以最大限度地減少備件。同類型可互換。全部設置參數可以在顯示屏幕上顯示。而修改可由系統密碼保護，以防誤修改。
2）儀表數據記錄
全部監測儀表均采用數字電路，可靠性高。除傳統的監測保護功能外，還具備30分鐘趨勢，振動監測表還具有測量1x,2x,3x幅值和相位，以及200線FFT譜的分析能力。一旦設備出現報警，系統會自動記錄全部數據，并存儲在專用報警存儲器中以備分析之用。這些功能均是在不增加任何儀表成本下提供，無任何附加設備。
3）儀表系統顯示
采用液晶棒條顯示和數字顯示結合的方式，第一頁面下部顯示幅值棒條，上部顯示數字值，數字顯示每五秒自動切換一次，第二頁面顯示時鐘，轉速，探頭間隙電壓及模塊串行通信地址，各頁面由按鍵切換。
4）儀表數據通訊
每一模塊均帶有RS-485串行通信接口,采用MODBUS通訊協議，可以與工廠使用的DCS系統通訊,每個6600表后背板均有一個通訊口并可通過組態設置通訊地址和速率等參數,各表之間通過菊花鏈連在一起并最終連到主機.每個6600保護表均配有兩個4-20mA輸出端子,可為DCS系統提供模擬輸入.每個6600表配有7個繼電器,其輸出可作為DCS的開關量輸入。
5）儀表框架
儀表采用7”高儀表框架，可比其它類儀表節省約50％的儀表盤空間。
6）鍵相位
6652軸振動監測儀表均可接受鍵相輸入，用于轉速和相位測量，故無需專門配置鍵相儀表。
7）電源和繼電器
每一儀表均配有獨立的電源和繼電器模塊。每個模塊有七個繼電器，一個用于系統狀態，其余六個可用于報警狀態。各繼電器的動作狀態可由前面板按鍵設置。
2、系統配置
6600機組振擺監測保護表系統是由儀表框架、6622振動監測表、6652擺度監測表、6686振動監測表、6691電源及繼電器插板組成。
1）儀表框架:
6625HIS-12：可安裝12個監測表（每個監測表2個通道）
2）6691電源和繼電器插板
每個槽位配置1個6691電源板，直接為監測表供電；同時6691板上的繼電器的輸出直接聯接到監測表的后背板。6691可提供+/-18，+/-24，-12V的直流電源，為傳感器和前置放大器提供電源。6691電源板的供電可用一個交流和兩個直流供電的任意組合，最多達三組電源供電。當某一電源失效時，該監測表的供電電源可在幾組輸入電源中自動切換。
3）6652機組擺度監測表
單元系統配置3塊6652測儀表（6個通道），用來監測水輪機組上導、下導和水導的X和Y方向擺度。振動信號的幅值和頻率成分以及軸的徑向位置(直流間隙電壓)是機器狀態的很好的指示，并且可檢測大量的機器問題，包括：不平衡、磨損、予加負荷狀況/不對中、轉子裂紋以及轉動零件與固定零件的摩擦。另外，6652監測表都接受轉速輸入以便提供階比分析功能。
6652監測表為從電渦流位移傳感器輸入的信號提供連續的監測。6652獨立監測每個通道輸入信號的總值。用戶可以定義一個低通濾波器限定信號的頻帶。同時，6652連續將帶通信號總值與報警和危險設定值進行比較。監測表提供的保護滿足并在有些方面超過API670標準要求。
如果用戶將一個1倍轉速信號接入監測表，6652可以計算振動前三倍頻的幅值和相位。同時系統還計算最大頻率為機組轉速6倍的頻譜（180到7500RPM），對于高速設備（最大轉速15000RPM），監測表以轉速的3倍為分析頻帶計算頻譜。如果沒有轉速信號輸入，6652按1KHz分析頻帶計算頻譜，但不提供倍頻幅值和相位信息。
監測表存儲各通道最后30分鐘的總值（1分鐘1個點）以及最新頻譜。當發生危險報警或來自其它監測表的第一輸出報警時，6652將此數據存儲到另外一個存儲區。這樣可使用戶利用此功能事后分析引起危險報警的原因。用戶可通過MODBUS通訊協議利用監測表后部接線端子上的4線多點串口線得到這些數據。
4）6686機組低頻振動監測表
單元系統配置5塊6686振動檢測儀表，測水輪機組上下機架頂蓋和定子機座的振動。6686監測表為從加速度傳感器輸入的信號提供連續的監測。6686獨立監測每個通道輸入信號的總值。用戶可以定義一個低通和一個高通濾波器限定信號的頻帶。如果用戶將一個1倍轉速信號接入監測表，6686可以計算振動前三倍頻的幅值和相位。同時系統還計算最大頻率為機組轉速6倍的頻譜（180到7500RPM），對于高速設備（最大轉速15000RPM），監測表以轉速的3倍為分析頻帶計算頻譜。如果沒有轉速信號輸入，6686按1KHz分析頻帶計算頻譜，但不提供倍頻幅值和相位信息。
監測表存儲各通道最后30分鐘的總值（1分鐘1個點）以及最新頻譜。當發生危險報警或來自其它監測表的第一輸出危險報警時，6686將此數據存儲到另外一個存儲區。這樣可使用戶利用此功能事后分析引起危險報警的原因。用戶可通過MODBUS通訊協議利用監測表后部接線端子上的4線多點串口線得到這些數據。
5）6622機組擺度監測表
單元系統配置3塊6622測儀表（6個通道），用來監測定子鐵心振動。6622監測表為速度傳感器輸入的信號提供連續的監測。6622獨立監測每個通道輸入信號的總值。用戶可以定義一個低通和一個高通濾波器限定信號的頻帶。如果用戶將一個1倍轉速信號接入監測表，6622可以計算振動前三倍頻的幅值和相位。同時系統還計算最大頻率為機組轉速6倍的頻譜（180到7500RPM），對于高速設備（最大轉速15000RPM），監測表以轉速的3倍為分析頻帶計算頻譜。如果沒有轉速信號輸入，6686按1KHz分析頻帶計算頻譜，但不提供倍頻幅值和相位信息。
監測表存儲各通道最后30分鐘的總值（1分鐘1個點）以及最新頻譜。當發生危險報警或來自其它監測表的第一輸出危險報警時，6686將此數據存儲到另外一個存儲區。這樣可使用戶利用此功能事后分析引起危險報警的原因。用戶可通過MODBUS通訊協議利用監測表后部接線端子上的4線多點串口線得到這些數據。
6）2100機組擺度監測傳感器系統
單元系統配置6個2100系列電渦流傳感器。2100系列擺度傳感器的設計滿足美國石油協會標準(API)670的嚴格要求，它是當今最先進的非接觸傳感器系統之一。2100系列在設備監測系統的精度、可靠性和易用性方面開創了新的標準。系統由三個部件組成：傳感器、延長電纜和前置器。
非接觸式傳感器是一種線圈封裝型裝置，可以測量設備的相對位置變化。它的原理是在被測對象的材料中產生渦流，然后測量被測對象表面運動時電流的變化。隨著被測對象靠近/遠離傳感器，能量損耗增加/減少。這種能量損失的變化反映在調制信號中，最終表現為電壓值和傳感器到被測表面的距離成比例。
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2107，80 mil 傳感器
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線性量程*
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約2,000µm (80mils)
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靈敏度*
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787mV/100µm (200mV/mil)
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靈敏度誤差*
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不大于±4%
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標度因數誤差
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不超過787mV/100µm的±5%(以完整系統校準)
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線性度
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不超過200mV/mil的±0.8mils(以完整系統校準)
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溫度
范圍
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傳感器
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-40到+177ºC(-40到+350ºF)
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延長電纜
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接頭：最高+125ºC(247ºF)
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前置器
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-38到+80ºC(-36到+176ºF)
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運行濕度范圍
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30到95%RH(非凝結，不可淹沒水中)
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供電
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-17.5VDC到-26VDC
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最大輸出電壓
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約-22VDC(供電電壓-24VDC時)
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電流消耗
(10kW負載電阻)
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最大-16mA
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頻率響應
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DC到20kHz(-3dB)
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輸出阻抗
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50W
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頭部直徑
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約5mm或約8mm
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電纜頭部直徑
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最大約6mm
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接頭頭部直徑
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最大約9.5mm (鍍金SMA接頭)
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接頭材質
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不銹鋼，鍍金
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傳感器電纜長度
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0.5m或1m
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系統電纜長度
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電纜長度+延長電纜長度5m ±10%或9m ±10%
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*-24V電源、25ºC條件下，相對于AISI 4140 鋼(厚度³200mils或5mm)的平整表面標定。
7）793型速度傳感器
單元系統配置10個793型速度傳感器和積分放大器,用來測量機架振動、水輪機頂蓋振動、定子機座振動
9200VO主要技術指標
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靈敏度（V/m/s）
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2.6
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通頻帶
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水平 0.5~30
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垂直 0.5~30
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分辨率
（與前置器配接后）
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速度（m/s,p-p）： 2×10-7
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位移（m,p-p）： 3×10-7
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最大量程
（與前置器配接后）
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速度(m/s,p-p)： 3×10-2
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位移（m,p-p）： 1×10-3
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輸出負荷電阻（K）
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300
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尺寸、重量
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Φ45×85mm； 0.9kg
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8）、FOA110型光纖加速度傳感器
單元系統配置6個FOA110型光纖加速度傳感器,用來測量定子鐵芯水平垂直振動
主要技術特點:
· 電氣絕緣超過27 kV (傳感器頭和信號調理單元)
· 重量輕(無金屬部件傳感器頭重量約20 g)
·對電磁場不敏感
·良好的熱穩定性
· 引出電纜長度可選6或10米
· 密封過度接頭/調理器
主要技術參數:
· 頻率范圍: 30 Hz- 350 Hz ± 5 %;
· 諧振頻率大于500 Hz;
· 動態范圍:0 - 1 mm 峰峰/100 Hz;
· 傳感器頭連續工作溫度: + 90°C.
· 輸出靈敏度: 100 mV/g
· 電源: +24VDC +/- 20%
三、系統的網絡結構
個人簡歷
作者：姜先軍
性別：男
出生日期：1977年
工作單位：哈爾濱新利德電站設備有限公司
部門：技術部
職務：機械工程師
電子郵箱：jiang_0514@163.com
1997.8 -2001.7 哈爾濱工業大學學習
2001.8-2008.2 哈爾濱瑞格大電機技術有限公司
2008.2-目前 哈爾濱新利德電站設備有限公司
主要工作經驗
太平灣發電廠50Hz、60Hz水輪發電機機組振動擺度監測系統工程的現場安裝、調試及技術指導與監督；
白山一期發電廠水輪發電機振動的原因分析及整體方案的確定；
白山抽水蓄能電站振動擺度監測系統的整體方案制定，測量振動元器件的選型及現場安裝、調試及技術指導與監督；
太平灣發電廠50Hz、60Hz水輪發電機機組振動擺度監測系統工程的現場安裝、調試進行技術指導與監督；
白山發電廠水輪發電機氣隙監測系統工程的現場安裝、調試和驗收試驗進行技術指導與監督。
白山發電廠水輪發電機汽蝕監測系統工程的現場安裝、調試和驗收試驗進行技術指導與監督。
三峽右岸發電機發電機上導油槽液位計、推力油槽液位計、水導油槽液位計的現場測繪、方案設計產品選型；
和信火力發電廠1#、2#機組高排改造項目的現場安裝與調試。
《白山抽水蓄能電站監測系統自動化元件投標書》的編制與投標工作；
《葛洲壩水力發電廠機組自動化元件投標書》的編制工作；
