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摘要 以实例介绍CSI振动分析仪在纸厂设备故障诊断中的应用及其效果。
关键词 振动分析仪 纸厂 设备 监测
中图分类号 TS734 文献标识码B
由于早期的轴承故障在振动信号上表现出高频低幅的特点，这些振动信号很容易被其他振动信号所掩盖，因此很多振动分析仪都采用了调制解调（或称包络检波）技术。调制解调技术可以检测轴承早期故障，但对故障的严重程度却无法做出准确的预测，也不能对轴承故障做出准确的趋势跟踪。艾默生公司的CSI振动分析仪，采用了其开发出的专利技术—Peakvue（峰值检测）技术。Peakvue技术采集的是应力波，应力波的产生是由于金属之间发生直接接触。早期的疲劳剥落、齿轮和轴承缺陷、摩擦磨损和冲击等等都会产生应力波。Peakvue正是采集和监测这些短暂的应力波，获得应力波的峰值及其出现的频率，并转换为频谱进行分析。Peakvue技术可以检测出轴承早期故障，并且还可以准确预测出故障的严重程度，跟踪Peakvue趋势就可以准确判断轴承故障的发展进程。下面介绍纸厂应用的实例，供参考。
案例1 后段烘缸展开辘中间轴轴承故障
2005年10月20日该中间轴轴承的Peakvue趋势突然上升（图1），幅值从15g上升到8g，普通的振动趋势上没有异常（图2）。
图1 中间轴轴承Peakvue趋势
图2 中间轴轴承普通振动趋势
进一步做深入分析发现频谱上有明显的轴承外圈故障频率E（图3），于是在2005年11月14日更换轴承，更换轴承后，Peakvue的趋势大幅下降，见图1。
图3 中间轴轴承频谱上有明显的轴承外圈故障频率
从损坏的中间轴轴承来看，轴承进水是引起Peakvue趋势突然上升的主要原因。由于烘缸帆布停机时要清洗，所以可能的原因是清洗时不慎把水冲进了轴承。轴承大量进水后将导致轴承发热，如果不及时处理轴承短期内就有可能烧毁。
案例2 真空泵齿轮箱轴承故障
2005年9月1日3#真空泵齿轮箱输入轴的Peakvue趋势突然上升，幅值从3g上升到27g左右（图4），普通的振动趋势没有明显变化（图5）。
图4 真空泵齿轮箱输入轴的Peakvue超势
图5 真空泵齿轮箱输入轴的普通振动趋势
分析频谱与Peakvue波形，发现明显的轴承外圈故障频率Q，(图6)，且Peakvue时域波形的冲击达26g左右。
在2005年9月12日更换该轴承，更换后Peakvue趋势大幅下降（图4）。检查拆下的轴承，发现轴承外圈有严重剥落。
图6 真空泵齿轮箱输入轴的频谱与Peakvue波形
案例3 烘缸虹吸管故障
2004年10月11日发现49和51号烘缸传动侧虹吸管处没有蒸汽，怀疑这两个烘缸的虹吸管断掉了，为此做进一步分析确认，采集了这两处测点的Peakvue信号。从图7与图8可以看出，51号烘缸传动侧运转时虹吸管存在明显冲击，但49号烘缸虹吸管则没有异常。
变压器是电力系统的重要设备，其状态好坏，直接影响电网的安全运行。因此，对电力变压器进行在线监测，及时掌握设备的状态，一直是电力工作者的梦想和追求。变压器的状态监测，就是通过对有关参数、信号的采集和分析，检出内部的初期故障及其发展趋势，和平主管部门立即组织人员进行综合分析，诊断设备的状态，减少损失，避免恶性事故的发生，将传统的定期维护转为状态维护，从而提高电网的安全经济运行，改善对用户的服务质量。
由于变压器在设计、制造、安装和运行维护等方面原因使绝缘存在缺陷，抗短路能力降低，因此近年来主变的事故较多，其中威胁安全最严重的为绕组局部放电性故障。根据国家电力公司对2001年全国110KV及以上主变事故的调查，得知绕组的事故占总事故台数的74.6%（福建省网为80%）。因此，提高变压器安全运行的最主要任务是早期检出绕组内部的局部放电性缺陷。
变压器内部局部放电的特点
压器内部故障分为过热和放电两大类。过热必故障发展较缓慢，在短时间内不会酿成事故。而局部地区放电性故障，尤其是匝、层间和围屏的局部放电，就大不同了。因为当这些部位的绝缘受损后，其沿面放电电压将降低，在受到内部或外部过电压的冲击后，绝缘性能迅速下降，引起局部放电及至发展成电弧放电而烧毁。因此，变压器在线监测的目的，就应立足于将局部放电性缺陷在火花放电阶段前检测出来，进而采取有效措施，防止事故的发生。
有些人认为放电性故障发展速度快，是突发性的，油中气体无法早期检出。众所周知，任何事故都有一个产生、发展的过程，也就是从量变到质变的过程。变压器内部局部放电，也有一个从电晕发展到爬电、火花放电，最后形成电弧放电的过程。其发展速度取决于故障部位和故障能量的大小。有关人事曾分析了十几年来发生的主变事故，发现有相当数量的事故有几个小时的发展过程，如1987年1月福建三明后山1号主变（220KV，90MVA）因高压B相围屏树枝状放电引进的事故，2000年7月31日厦门嵩屿电厂2号主变（220KV，150MVA）因110KV中压C相绕组在整个轴向变形后再次受到雷电冲击引起的事故，以及2002年3月22日广东大亚湾核电站2号主变C相低压角接线的短路事故等，都有数小时的发展过程。如果选用对故障气体响应快的监测装置，使其在火花放电阶段被检出，则就有可能防止恶性事故的发生。
油中氢气在线监测局部放电性能故障的必要性和可能性
众所周知，变压器内部的绝缘油、纸、布、漆和木头等绝缘材料都为碳氢化合物或碳水化合物，在分子结构中碳氢键（C-H）最多，其键能最低，因此在分解时最容易断裂；而氢气的生成热最小，因此在碳氢键断裂后氢气最易生成；又因为氢气的分子半径最小，在油中的溶解度也最小，使氢气最容易从油中析出后渗透过高分子膜，使其以最快的速度集聚到检测室。因此，选择氢气为监测对象应是局部放电性故障早期检出最理想的故障气体。
有的人提出乙炔（C2H2）是放电性故障最佳具代表的特征气体。这确实如此，但C2H2分子中有C-C键，生成时必须吸收较大的能量，在局部放电的初期不可能产生，只有在火花放电后期才会有少量C2H2，但此时距电弧放电很近，恶性事故很快就会发生，即使这时被检出，也没有时间来采取防患措施，避免事故的发生了。
有的人提出，只监测氢气、水分不能进行综合判断，而应该监测多组分才能作出诊断。这种想法也是很正常的，但是，我们应该认识到，在线监测的是运行设备，要停运不可能只靠油中气体含量的诊断来决定设备立即停电。就是目前试验室的色谱分析，尽管所检测的组分散地很多，判断的方法很多，也很成熟，但当检出油中气体含量异常后，也不可能下令立即停电。在线监测的目的主要是对变压器内部故障起“哨兵”的作用，即在准确检出初期故障发出报警。为此，在线监测装置不仅要求连续在线，而且要求对故障气体的响应速度要快。若检测多组分只能通过二个方法来实现：一为色谱法，这将带来取样、进样和色谱柱分离等过程，使监测变成间断进行；二为用多个传感器分别监测各组分，因目前传感器质量不过关，近年内无法实现。通过上述分析，得知选择连续监测油中氢气才是检出早期局部放电故障的最佳方法。
油中水分在线监测
变压器油是内部的主要绝缘材料，水是影响绝缘性能是主要的因素。当油中水分含量增加到一定值后，将引起绝缘性能的急剧下降，及至引起事故。因此，通过监测 变压器油中水分含量，不仅可以防止变压器油绝缘强度降低到危险水平，而且还可对变压器整体的绝缘状况进行评估。
近年来，我国也曾发生过几起因变压器受潮进水引起的事故，造成严重的损失。因此，实时检测变压器油中水分也非常重要，尤其对于强油水冷和温度较大的地区的重要变压器显得更为迫切。其装置不仅要求反应速度快，而且要稳定准确。这就要求清晰度传感器安装在强油循环部位或自备循环油泵回路上。
油中气体在线监测装置应具备的功能
由于油中气体在线监测的目的是为了早期检出局部放电性故障，因此，该装置应具备的最重要功能可归纳为准、快、简三个方面。
所谓准，就是所选择的监测对象应该是局部放电初期主要的特征气体，前面已述油中氢气是各种故障时最先产生的特征气体，更是局部放电性故障的主要特征气。然而值得说明的是，目前的离线色谱检测，在取样、贮运、脱气、进样等操作环节中，氢气极易损失，使分析结果往往出现较大的分散性，因而帝引起一些人怀疑氢气监测的确有效性。
所谓快，就是对故障气体的反应速度要发尽量快！因为局部放电性故障的发展速度快，要求监测装置在故障气体产生20分钟后，就应发出报警，运行人员立即向有关部门汇报，进行综合分析后，采取有效果断的措施，以便防止恶性事故的发生。这不仅要求采样、检测单元安装在强油循环回路上或本身备有循环油泵，而且油气分离的透膜要大，以便气体快速进入检测室。
所谓简，就是要求装置系统简单、安装方便，并且运行维护少乃至免维护。
因此，在线监测装置只有具备了“准”、“快”，才能对内部故障起到“哨兵”的作用；只有做到“简”，给用户带来了方便、经济，才能得到推广。
图7 49号烘缸虹吸管外壁Peakvue波形
图8 51号烘缸虹吸管外壁Peakvue波形
2004年10月18日，机械维修停机时检查了49与51号烘缸传动侧的虹吸管，49号烘缸传动侧的虹吸管没有损坏，而51号烘缸传动侧的虹吸管已经断裂。
笔者在纸厂通过CSI振动分析仪发现了上百个轴承故障，限于篇幅，在此就不一一列举了。该分析仪除了可以准确检测轴承故障外，还可以检测出诸如不平衡、不对中、松动、摩擦、裂纹、齿轮缺陷等不同类型的故障。另外，CSI振动分析仪还具有瞬态振动分析、现场动平衡、激光对中、电机诊断等功能。
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