鄧銘祺，周鵬杰，阮班義，陽(yáng) 波，鄭 欣，李 康

(國(guó)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(yáng)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(jì)四套。閥冷系統(tǒng)由兩個(gè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成[1-2]：內(nèi)水冷系統(tǒng)，通過(guò)閉式循環(huán)去離子水對(duì)換流閥進(jìn)行冷卻；外水冷系統(tǒng)，通過(guò)冷卻塔噴淋系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(guò)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(dòng)力，同時(shí)將引發(fā)壓力、溫度和流量低報(bào)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(guò)運(yùn)維人員耳聽(tīng)軸承發(fā)出的聲音是否清晰、有無(wú)雜音來(lái)判別軸承是否正常。依賴(lài)于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，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(duì)于維護(hù)的時(shí)間點(diǎn)不好把控，既易出現(xiàn)過(guò)度檢修，也易出現(xiàn)漏查情況[6-7]。

換流站噪聲監(jiān)測(cè)分析研究工作主要集中在兩個(gè)方面[8-9]：換流站整體噪聲測(cè)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(cè)和研究。針對(duì)閥冷主泵軸承運(yùn)行環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和故障分析的研究暫無(wú)報(bào)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(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)及時(shí)預(yù)警主泵軸承故障，并根據(jù)運(yùn)行工況的好壞來(lái)決定主泵軸承的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

噪聲傳感器數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線方式傳輸至服務(wù)器，設(shè)計(jì)的基于噪聲監(jiān)測(cè)的內(nèi)水冷主泵軸承監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有噪聲數(shù)據(jù)采集處理、Wi-Fi無(wú)線傳輸、后臺(tái)計(jì)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(guò)Wi-Fi傳輸上傳信息。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)站內(nèi)Wi-Fi轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器。應(yīng)用層系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)對(duì)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(cè)和故障預(yù)警。

2 軟件設(shè)計(jì)

主泵軸承的在線噪聲狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求較短時(shí)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(hào)預(yù)處理算法影響在線監(jiān)測(cè)效率?；诳焖俑道锶~變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)為基礎(chǔ)的頻域處理分析，滿(mǎn)足短時(shí)間處理噪聲信號(hào)并進(jìn)一步分析提取特征的需求。主泵軸承噪聲信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)，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(cè)主泵軸承聲音時(shí)，采集到的聲波振幅是這些聲波合成的振幅，通過(guò)快速傅里葉變換將信號(hào)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(lái)，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(hào)時(shí)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(zhǎng)度)，主泵軸承噪聲信號(hào)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(xiàng)，式(4)中通過(guò)前N/2個(gè)點(diǎn)的中間過(guò)程值可確定后N/2個(gè)點(diǎn)的值，通過(guò)不斷奇偶分解，最終變成兩個(gè)點(diǎn)的離散傅里葉變換，減少重復(fù)計(jì)算時(shí)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(hào)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(duì)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(jì)值分析方法，計(jì)算各設(shè)備噪聲統(tǒng)計(jì)值特征，建立樣本庫(kù)，設(shè)置各設(shè)備不同狀態(tài)下噪聲特征閾值，用于現(xiàn)場(chǎng)噪音在線監(jiān)測(cè)預(yù)警判斷。統(tǒng)計(jì)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(hào)監(jiān)測(cè)記錄(樣表)

2.3 軟件流程設(shè)計(jì)

基于噪聲監(jiān)測(cè)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(hào)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。基于快速傅里葉變換和噪聲信號(hào)頻譜特征計(jì)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(jì)

噪聲信號(hào)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(hào)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(dòng)膜片與后極板組成一個(gè)電容。當(dāng)振動(dòng)膜片受到外界聲波作用時(shí)，振動(dòng)膜片會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)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(shí)，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(huì)轉(zhuǎn)化為輸出電位的變化。輸出電位的變化進(jìn)過(guò)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(hào)為AWA14421，頻率范圍5 Hz～40 kHz，電容傳聲器振動(dòng)膜片和極板之間的直流極化電壓為200 V，標(biāo)稱(chēng)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(cè)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(cè)量時(shí)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(hào)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(hào)為CT5201，頻率范圍1 Hz～100 kHz，激勵(lì)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(guò)高速AD轉(zhuǎn)換，將噪聲模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)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(hào)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(dòng)態(tài)信號(hào)采集通道，可對(duì)電容式噪聲傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在±800 kV鄱陽(yáng)湖換流站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試噪聲監(jiān)測(cè)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(cè)主泵兩側(cè)軸承噪聲時(shí)，需將噪聲傳感器靠近主泵放置。為了更準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)軸承故障時(shí)產(chǎn)生噪音的位置，采用3路噪聲傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，1號(hào)和2號(hào)傳感器布置在主泵兩側(cè)的軸承上，3號(hào)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(tái)。結(jié)合閥冷主泵小室內(nèi)各類(lèi)設(shè)備，采集各類(lèi)設(shè)備噪聲背景數(shù)據(jù)形成樣本庫(kù)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)各類(lèi)設(shè)備噪聲閾值，提高了噪聲監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)換流站閥冷主泵軸承不易監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出了一種基于噪聲監(jiān)測(cè)的閥冷主泵軸承故障預(yù)警系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)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(chǎng)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(cè)。