磁電式速度傳感器故障導致發電機組跳機分析

孫京生，李國豪，甘智勇，王 坤，王梓越

（1.國網天津市電力公司，天津300010；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津300384）

天津市某臺汽輪發電機組，在帶負荷正常運行時，突發異常振動，造成保護動作跳機。跳機檢查后檢查機組狀況并無明顯異常，再次起機后多次發生類似情況，造成較大損失。為弄清振動故障原因，找出治理方法，防止類似事故再次發生，故對機組進行跳機原因分析工作，最終發現了故障是由于磁電式速度傳感器故障導致的，本文將對故障的表現形式、排查過程、原因分析進行詳細闡述。

1 故障的表現形式

1.1 機組運行參數

故障機組采用的是青島捷能汽輪機股份有限公司生產的C12-3.43/0.98 單缸抽汽式汽輪機，配以同公司生產的QFW-15-2 型發電機，機組額定轉速3000 r/min，額定功率12000 kW。機組軸系示意圖如圖1 所示。

圖1 汽輪發電機組軸系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the turbine generator set shafting

汽輪機軸系監測系統采用的電廠自主采購的國產某監測系統。

1.2 表型形式

故障機組在帶負荷正常運行時，突發#2 軸承垂直振動突然增大，達到跳機保護動作值，機組跳機。降速過程中，運行人員就地采用手持振動測試儀測試該軸瓦振動正常。停機后檢查機組狀況正常，無引起振動突然增大的條件，經盤車后起機，后多次發生類似情況。

2 故障的排查過程

2.1 搭建振動監測系統

故障汽機發電機組振動監測工作采用在線連續采集、數據分析的方法進行，使用美國本特利公司408P 振動監測分析系統，瓦振信號使用該公司9200 系列速度型振動傳感器采集，并在#3 軸承處加裝了該公司300380 系列電渦流振動傳感器，振動信號其監測分析系統示意圖如圖2 所示。

圖2 振動監測系統示意圖Fig.2 Vibration monitoring system schematic

2.2 振動監測過程

針對故障機組存在的#2 軸承垂直振動過大導致跳機的狀況，在起機前搭設振動監測系統，該系統采集的信號包括：

（1）#1 軸承垂直振動、#1 軸承水平振動、#2 軸承垂直振動、#2 軸承水平振動、#3 軸承垂直振動、#3 軸承水平振動、#4 軸承垂直振動、#4 軸承水平振動；

（2）引入電廠汽輪機軸系監測系統自帶傳感器振動信號；

（3）加裝#3 軸承電渦流軸傳感器。

在常規測試過程中未發現#2 軸承存在振動異常情況，故采用縮短采樣間隔的方式進行大密度采集，進行了長達6 天的持續監測，最終發現了振動異常點。

2.3 振動監測結果及分析

調取監測過程的趨勢圖如圖3 所示，左上為#2軸承垂直方向瓦振（本特利9200 測得），右上為#2軸承垂直方向瓦振（電廠某國產傳感器測得），左下為#3 軸承垂直方向瓦振（本特利9200 測得），右下為#3 軸承軸振（本特利電渦流傳感器測得）。

圖3 振動監測過程趨勢圖Fig.3 Vibration monitoring process trend diagram

由圖3 可知#3 軸承振動狀況無明顯異常，本特利9200 測得#2 軸承振動狀況無明顯異常，電廠某國產傳感器測得數據有明顯較大點，幅值為200 μm 以上，達到跳機保護值，足以引起跳機。而在其振動大點的同一時間本特利9200 測得數值不大，與前后時間點數據基本一致。調取兩傳感器測得數據在該時間點的頻譜如圖4 所示，圖中上圖為本特利9200 傳感器測得頻譜，下圖為電廠某國產傳感器測得頻譜。

由頻譜圖可以看出，10 Hz 左右的振動幅值是導致電廠某國產傳感器測得數據較大的直接原因，而本特利9200 在10 Hz 左右無明顯最大點，故電廠某國產傳感器在10 Hz 左右失真故障時導致電廠振動大停機事故的直接原因。

3 故障原因分析

3.1 故障傳感器檢測結果

將故障傳感器置于振動校驗平臺上與標準傳感器進行比對，在10 Hz 下比對結果如圖5 所示，圖中右上為標準傳感器、右下為故障傳感器。

圖4 振動異常點頻譜圖Fig.4 Vibration abnormal point spectrum

圖5 振動校驗平臺測試結果Fig.5 Vibration calibration platform test results

由圖5 可以看出，當標準傳感器示數為0.01 mm時，故障傳感器示數為0.15 mm，差距較大。

3.2 故障類型分析

故障傳感器為磁電式速度傳感器，磁電式慣性速度傳感器是一種把振動物體的振動參數轉換為電量的換能裝置，它是利用電磁感應原理，在被測物體振動時傳感器內固定在慣性質量上的線圈切割磁力線，得到正比于振動速度的電勢，該電勢通過放大器放大，可測量被測物體的速度.經過微分或積分網絡，便可測量加速度或位移.因此，此傳感器可廣泛地用于測量機床、發動機、船舶等試件的振動位移、速度、加速度[1]。

磁電式傳感器的結構主要由永磁鐵、 慣性質量、線圈、阻尼環、彈簧等組成.它的力學模型如圖6所示，工作時將傳感器外殼緊固于被測物體上，隨被測物體一起振動。

圖6 磁電式速度傳感器力學模型Fig.6 Magnetoelectric speed sensor mechanical model

圖7為一般速度傳感器的頻響特性，從頻響特性曲線上可清楚地看出，20 Hz 以后基本上是平直段，可得到被試傳感器的固有頻率為11.45 Hz[2]。故當振動頻率接近傳感器固有振動頻率時可能出現數據偏差，嚴重的甚至會出現欠阻尼導致測試數據數10 倍誤差。

圖7 一般速度傳感器的頻響特性曲線Fig.7 Frequency response characteristic curve of general speed sensor

4 結語

由振動監測發現該汽輪發電機組跳機是某國產傳感器故障導致的，其故障主要原因為速度傳感器欠阻尼狀態導致的頻響特性不佳，數十倍的誤差放大了10 Hz 附近的振動幅值，導致振動幅值超過跳機值引起跳機。故電廠在安裝汽輪機軸系監測系統時應慎重考慮傳感器廠家及型號，除在選型時索要檢定報告外還需定時開展傳感器校驗工作。