基于噪聲監(jiān)測的閥冷主泵軸承故障預(yù)警系統(tǒng)研究

鄧銘祺，周鵬杰，阮班義，陽 波，鄭 欣，李 康

(國網(wǎng)江西省電力有限公司超高壓分公司，江西 南昌 330000)

0 引言

閥冷系統(tǒng)是特高壓直流換流站換流閥的重要輔助系統(tǒng)，±800 kV鄱陽湖換流站在每極高、低端換流閥各配置一套獨(dú)立的閥冷系統(tǒng)，共計四套。閥冷系統(tǒng)由兩個冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成[1-2]：內(nèi)水冷系統(tǒng)，通過閉式循環(huán)去離子水對換流閥進(jìn)行冷卻；外水冷系統(tǒng)，通過冷卻塔噴淋系統(tǒng)對內(nèi)水冷進(jìn)行冷卻。其中內(nèi)水冷系統(tǒng)是核心冷卻循環(huán)系統(tǒng)，主循環(huán)泵是內(nèi)水冷系統(tǒng)中唯一保持持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其正常運(yùn)行時能提供足夠壓力，保證內(nèi)水冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)恒定壓力和持續(xù)流量，通過熱量交換，使可控硅及其組件保持在正常工作溫度區(qū)間。一旦主循環(huán)泵發(fā)生故障，水冷系統(tǒng)將失去動力，同時將引發(fā)壓力、溫度和流量低報警和跳閘，導(dǎo)致直流閉鎖[3-5]。

軸承是主循環(huán)泵的重要配件和易損品，因此，主循環(huán)泵的工作狀態(tài)，尤其是軸承的運(yùn)行工況直接決定了系統(tǒng)冷卻負(fù)荷，影響換流閥的正常運(yùn)行，繼而影響換流站的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前主循環(huán)泵的軸承維護(hù)主要為日常人工巡視和定期維護(hù)，人工巡視一般通過運(yùn)維人員耳聽軸承發(fā)出的聲音是否清晰、有無雜音來判別軸承是否正常。依賴于個人經(jīng)驗，缺乏詳實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，誤差較大。定期維護(hù)則對于維護(hù)的時間點(diǎn)不好把控，既易出現(xiàn)過度檢修，也易出現(xiàn)漏查情況[6-7]。

換流站噪聲監(jiān)測分析研究工作主要集中在兩個方面[8-9]：換流站整體噪聲測試及降噪措施研究；換流站主設(shè)備(包括電容器塔、換流變壓器、平波電抗器等)噪聲監(jiān)測和研究。針對閥冷主泵軸承運(yùn)行環(huán)境噪聲監(jiān)測和故障分析的研究暫無報道。

綜上，有必要研制一套閥冷主泵軸承運(yùn)行環(huán)境噪聲實(shí)時監(jiān)測設(shè)備，通過實(shí)時監(jiān)測噪聲數(shù)據(jù)及時預(yù)警主泵軸承故障，并根據(jù)運(yùn)行工況的好壞來決定主泵軸承的維護(hù)保養(yǎng)時間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

噪聲傳感器數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式傳輸至服務(wù)器，設(shè)計的基于噪聲監(jiān)測的內(nèi)水冷主泵軸承監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有噪聲數(shù)據(jù)采集處理、Wi-Fi無線傳輸、后臺計算分析預(yù)警等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

感知層主要進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，通過Wi-Fi傳輸上傳信息。網(wǎng)絡(luò)層通過站內(nèi)Wi-Fi轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)后臺服務(wù)器。應(yīng)用層系統(tǒng)監(jiān)控后臺對網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)加以處理，進(jìn)行主泵軸承噪聲監(jiān)測和故障預(yù)警。

2 軟件設(shè)計

主泵軸承的在線噪聲狀態(tài)監(jiān)測要求較短時間周期內(nèi)連續(xù)采集軸承噪聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集板卡噪聲采樣率達(dá)250 kHz，高復(fù)雜度的信號預(yù)處理算法影響在線監(jiān)測效率。基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)為基礎(chǔ)的頻域處理分析，滿足短時間處理噪聲信號并進(jìn)一步分析提取特征的需求。主泵軸承噪聲信號是一個復(fù)雜的信號，其由多種不同頻率的聲波構(gòu)成，這些聲波在空氣中共同傳播，在進(jìn)行監(jiān)測主泵軸承聲音時，采集到的聲波振幅是這些聲波合成的振幅，通過快速傅里葉變換將信號在頻域進(jìn)行分解，并進(jìn)行特征提取。

2.1 基于FFT的噪聲頻譜數(shù)據(jù)處理

快速傅里葉變換算法是基于離散傅里葉變換改進(jìn)而來，是離散傅里葉變換的快速算法，離散傅里葉變換公式如式1所示[10-12]。

式(1)中，是主泵軸承噪聲信號時域離散序列，ω為角頻率。

將ω=2π·k/N離散化處理并代入公式(1)中，其中0≤k≤N-1(k為采樣頻率，N為序列長度)，主泵軸承噪聲信號離散化頻域公式如式2所示。

在離散傅里葉變換基礎(chǔ)上引入歐拉公式如式(3)所示。

利用歐拉公式性質(zhì)，將式(3)代入式(2)，可推導(dǎo)出公式(4)。將離散傅里葉變換公式拆分成奇偶項，式(4)中通過前N/2個點(diǎn)的中間過程值可確定后N/2個點(diǎn)的值，通過不斷奇偶分解，最終變成兩個點(diǎn)的離散傅里葉變換，減少重復(fù)計算時間，實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換。

其中，k=0，1，2，…，N-1，N為2的冪次方。

2.2 噪聲信號頻譜特征提取

在換流站內(nèi)水冷主循環(huán)泵小室內(nèi)，有主循環(huán)泵、聯(lián)軸器、電機(jī)、逆止閥等產(chǎn)生噪聲設(shè)備較多，換流站在停電檢修情況下，在換流站不同工況下提前對不同設(shè)備噪聲進(jìn)行采集，采集記錄(樣表)如表1所示，其中0代表停運(yùn)，1代表運(yùn)行。采用統(tǒng)計值分析方法，計算各設(shè)備噪聲統(tǒng)計值特征，建立樣本庫，設(shè)置各設(shè)備不同狀態(tài)下噪聲特征閾值，用于現(xiàn)場噪音在線監(jiān)測預(yù)警判斷。統(tǒng)計值特征包括等權(quán)重功率、平均功率、均方頻率、頻率方差、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根值和峰值與均方根值比，這些特征在之前的研究中已被證明能有效表征頻域特征[13-14]。

表1 不同設(shè)備噪聲信號監(jiān)測記錄(樣表)

2.3 軟件流程設(shè)計

基于噪聲監(jiān)測的閥冷主泵軸承預(yù)警系統(tǒng)核心功能是基于噪聲的數(shù)據(jù)采集處、設(shè)備噪聲特征劃分和噪聲信號頻譜特征提取。預(yù)警系統(tǒng)底層軟件包括上述功能的處理邏輯，形成了預(yù)警系統(tǒng)的工作流程?；诳焖俑道锶~變換和噪聲信號頻譜特征計值分析方法，進(jìn)行閥冷主泵軸承故障預(yù)警，軟件預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 裝置通信軟件流程

3 硬件設(shè)計

噪聲信號采集硬件系統(tǒng)由噪聲傳感器、前置放大器、恒流適配器、數(shù)字采集板卡組成，實(shí)物連接如圖3所示。

圖3 噪聲信號采集系統(tǒng)硬件實(shí)物

系統(tǒng)采用電容式噪聲傳感器，其由振動膜片與后極板組成一個電容。當(dāng)振動膜片受到外界聲波作用時，振動膜片會產(chǎn)生受迫振動導(dǎo)致其與后極板之間的距離發(fā)生變化，從而使電容發(fā)生變化。與此同時，電容阻抗也隨著電容的變化而變化，由于與該電容串聯(lián)的負(fù)載電阻阻值固定不變，阻抗的變化最終會轉(zhuǎn)化為輸出電位的變化。輸出電位的變化進(jìn)過耦合電容后，傳輸?shù)角爸梅糯笃?。系統(tǒng)選用噪聲傳感器型號為AWA14421，頻率范圍5 Hz～40 kHz，電容傳聲器振動膜片和極板之間的直流極化電壓為200 V，標(biāo)稱靈敏度為14.1 mV/Pa。

通常電容式噪聲傳感器的靜電容量非常小(一般為幾十pF)，在音頻測量的頻率范圍內(nèi)拒用非常高的阻抗，需要用阻抗變換器與后面的衰減器以及放大器連接匹配，因此在進(jìn)行聲學(xué)測量時噪聲傳感器需要連接前置放大器。系統(tǒng)選用的前置放大器型號為AWA14604，頻率范圍20 Hz～50 kHz，需穩(wěn)定的電流源提供2～10 mA電流，保證采集精度。

為保證采集精度，需要穩(wěn)定的恒流源為前置放大器供電。系統(tǒng)采用的恒流適配器型號為CT5201，頻率范圍1 Hz～100 kHz，激勵電源24 V，恒流2 mA，恒流適配器工作原理如圖4所示。

圖4 恒流適配器工作原理

恒流適配器輸出的數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)采集板卡，數(shù)據(jù)采集板卡通過高速AD轉(zhuǎn)換，將噪聲模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集板卡型號為NI MCC E1608，采樣率為250 kHz，16位模擬量輸出，具備以太網(wǎng)接口。E1608具備4通道動態(tài)信號采集通道，可對電容式噪聲傳感器進(jìn)行高精度測量。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在±800 kV鄱陽湖換流站現(xiàn)場測試噪聲監(jiān)測故障預(yù)警系統(tǒng)，主泵軸承位于主泵兩側(cè)，主循環(huán)泵連接如圖5所示。

圖5 主循環(huán)泵連接

監(jiān)測主泵兩側(cè)軸承噪聲時，需將噪聲傳感器靠近主泵放置。為了更準(zhǔn)確監(jiān)測軸承故障時產(chǎn)生噪音的位置，采用3路噪聲傳感器進(jìn)行監(jiān)測，1號和2號傳感器布置在主泵兩側(cè)的軸承上，3號傳感器布置在電機(jī)側(cè)軸承上。

E1608數(shù)據(jù)采集板卡傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)Wi-Fi網(wǎng)橋傳輸至系統(tǒng)后臺。結(jié)合閥冷主泵小室內(nèi)各類設(shè)備，采集各類設(shè)備噪聲背景數(shù)據(jù)形成樣本庫，在監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)各類設(shè)備噪聲閾值，提高了噪聲監(jiān)測準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

針對換流站閥冷主泵軸承不易監(jiān)測的問題，提出了一種基于噪聲監(jiān)測的閥冷主泵軸承故障預(yù)警系統(tǒng)，并設(shè)計了噪聲數(shù)據(jù)、采集、處理和故障預(yù)警方法。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)方便了現(xiàn)場運(yùn)維人員的高效管理，實(shí)現(xiàn)了換流站閥冷主泵軸承故障精準(zhǔn)監(jiān)測。