本发明涉及发电机组运行状态监控技术领域，特别是涉及一种基于外部传感器的发电机振动监测系统及监测方法。
背景技术：
发电机定子绕组端部振动时近年来国内受到运行单位高度重视的机组状态监测新增热点。在发电厂生产运行中，大型汽轮发电机定子绕组端部由于振动而导致线棒磨损、绝缘损坏甚至造成相间短路、烧毁绕组等故障或事故时有发生，很多起发电机短路故障时由于机械振动导致绝缘材料损坏引发的。
发电机定子绕组端部振动是由于发电机定子线圈端部与端部的漏磁通相互作用，使得定子绕组端部受到与转速相同的旋转电磁力作用。电磁力的径向分量是引起绕组端部结构振动的主要激励力，它具有椭圆分布模式，其频率等于汽轮发电机转速频率的两倍，对转速为3000r/min的汽轮发电机来说，电磁力频率接近或等于100Hz。当发电机定子绕组端部两端（励端、汽端）椭圆型振型模态频率接近或等于100Hz时，定子绕组端部将产生较大振动或共振，这将导致定子绕组端部绝缘磨损、冷却水管接头处泄露，相间短路等破坏事故，直接影响电机组的正常运行，造成重大的经济损失。
随着国内大型发电机组投运的快速发展，定子绕组端部振动受到越来越高的重视，对定子绕组端部振动的监测具有一定的必要性，实时测量运行中的振动幅值，做到早期报警，避免突发性事故。国家也推出了关于发电机绕组端部振动测量方法及评定准则的国家标准 《透平型发电机定子绕组端部动态特性和振动试验方法及评定GB/T 20140-2006》。其中对于绕组端部振幅大于250um，小于400um需要做出报警提示，绕组端部振幅大于400um，以及绕组端部振幅变化超过100um时需要做出停机措施。
由于大型发电机组内部的高压、强电磁场环境，发电机定子绕组端部的在线监测技术一直是难点问题，现在广泛应用的端部测振系统就是基于光纤传感技术，将多个光学传感探头直接固定于绕组端部各个方位上，直接采集绕组端部线棒振动信号。由于光纤传感器不含金属，传感探头没有任何电子元件，从而避免了电机内部高压、强电场对监测的影响。但是这样的监测系统安装繁琐，电机内部传感探头的固定较为麻烦，光纤的走线很繁琐，且在安装时需要在发电机机身钻孔以便引线，会对发电机机身造成一定的损害，整体设备的维护也较为困难。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种基于外部传感器的发电机振动监测系统及监测方法，解决了现有测振系统中光学传感探头安装繁琐，会对发电机的机身造成损坏、影响发电机气密性的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于外部传感器的发电机振动监测系统，该系统包括多个发电机、多个用于检测发电机外壳端部振动幅度的第一加速度传感器、柜体，所述柜体内从上往下依次设置有显示器、工控机、监控主机，所述每个发电机汽端和励磁端外壳的径向圆周方向上均固定有多个第一加速度传感器，所述一个工控机与至少两个监控主机通信连接，每个监控主机均与一个发电机通信连接，每个发电机上的第一加速度传感器均通过电缆信号线将外壳端部的振动信号传递给监控主机，监控主机根据接收的振动信号计算出绕组端部的振动幅度并将振动数据传递给工控机，工控机将绕组端部的振动数据传递给显示器进行可视化显示。
进一步地，所述第一加速度传感器采用压电式加速度传感器或磁电式加速度传感器，通过粘贴或螺栓均匀固定在发电机汽端和励磁端外壳上。
进一步地，所述第一加速度传感器采用分布式光纤传感器，缠绕在发电机汽端和励磁端的外壳上。
一种基于外部传感器的发电机振动监测方法，具体包括以下步骤：
步骤1：构建振源的振动方位数据库和振动幅度数据库；
步骤2：多个第一加速度传感器检测定子外壳端部的振动信号；
步骤3：监控主机计算振动信号的振动时间序列，根据振动时间序列和振动方位数据库确定振源的振动方位；
步骤4：提取第一加速度传感器采集到的50HZ基频和100HZ倍频的振动信号，获取定子外壳端部的第一振幅，根据振动幅度数据库和第一振幅，获取振源的振动衰减系数；
步骤5：根据获取的第一振幅、振动衰减系数及内外振幅响应公式计算出绕组端部的第二振幅；
步骤6：判断第二振幅是否超过预警值，若第二振幅超过αμm，则监控主机发出告警信号并在显示器上显示绕组端部的振动幅度；若第二振幅超过βμm，则监控主机控制发电机停止运行并发出报警信号，在显示器上显示绕组端部的振动幅度。
所述步骤1中构建振源的振动方位数据库和振动幅度数据库的具体步骤为：
步骤1.1：在发电机外壳端部上固定多个第一加速度传感器，在绕组端部上固定多个与第一加速度传感器的时钟方位相同的第二加速度传感器；
步骤1.2：冲击力锤激励绕组线棒的一个时钟方位，使绕组线棒产生频率为200HZ以下的振动信号；
步骤1.3：第一加速度传感器检测第一振幅，第二加速度传感器检测第二振幅，根据内外振幅响应公式、第一振幅、第二振幅计算出该时钟方位的振动衰减系数；
步骤1.4：多次重复执行步骤1.2和1.3，对第一振幅、第二振幅及其相对应的振动衰减系数进行数据统计，构建振源的振动幅度数据库；
步骤1.5：拆除绕组端部上的第二加速度传感器；
步骤1.6：对多个第一加速度传感器进行编号；
步骤1.7：执行步骤1.2，监控主机记录每个第一加速度传感器检测到振动信号的时间，并获取振动信号的激励时间序列；
步骤1.8：多次重复执行步骤1.7，对冲击力锤的激励方位及该方位对应的振动信号的激励时间序列进行数据统计，构建振源的振动方位数据库。
所述内外振幅响应公式为，其中A1为绕组端部的第一振幅，A2为外壳端部的第二振幅，Q为振动衰减系数，v为振动信号的传播速度，f为50HZ或100HZ，x2-x1为任意一个第一加速度传感器到振源的距离。
所述步骤6中，若第二振幅的变化值超过γμm，则监控主机控制发电机停止运行并发出报警信号。
本发明的积极有益效果：
1、 本发明的基于外部传感器的发电机振动监测系统将加速度传感器设置在电机外壳端部，通过检测外壳端部的振动幅度，得到定子绕组端部的振动幅度，有效避免了电机内部高压、高磁场环境对传感器的干扰。
2、加速度传感器粘贴或通过螺栓固定在电机外壳上即可，在对加速度传感器安装过程中不会对电机机身造成损坏，安装方便，保证了电机的气密性。当系统出现问题时，维修也十分方便。
3、工作人员根据实际需要可以在电机外壳端部上设置多个加速度传感器，就可得到定子绕组端部近似一个完整的绕组端部振动情况，振幅监测准确，定位精度可靠，振源位置以及绕组端部的振动幅度能够在显示器上实时显示。
附图说明
图1为本发明的发电机振动监测系统监控多个发电机的结构示意图。
图2为本发明的发电机振动监测系统监控一个发电机的结构示意图。
图3为第一加速度传感器在电机端部的分布示意图。
图4为本发明分布式光纤传感器的安装示意图。
图5为本发明基于外部传感器的发电机振动监测方法的流程图。
图中标号的具体含义为： 1为发电机，2为第一加速度传感器，3为柜体，4为显示器，5为工控机，6为监控主机，7为发电机外壳端部，8为电缆信号线。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式。
参见图1、图2，本发明的基于外部传感器的发电机振动监测系统，包括多个发电机1、多个第一加速度传感器2、柜体3。所述柜体3内从上往下依次安装有显示器4、工控机5、监控主机6，所述一个工控机5至少与两个监控主机6通信连接，每个监控主机6均与一个发电机1通信连接，每个发电机上的第一加速度传感器2均通过电缆信号线8与监控主机6的信号输入端连接。所述第一加速度传感器2用于检测发电机外壳端部7的振动幅度，可采用压电式加速度传感器、磁电式加速度传感器或分布式光纤传感器，发电机外壳端部7包括汽端外壳和励磁端外壳。第一加速度传感器2采用压电式加速度传感器或磁电式加速度传感器时，其通过粘贴或螺栓固定在发电机1汽端和励磁端外壳的径向圆周上。第一加速度传感器2采用分布式光纤传感器时，如图4所示，其缠绕在发电机汽端和励磁端的外壳上，分布式光纤传感器的采样点的分布密度比点状阵列高，在使用过程中，可以通过缠绕多圈来增加采样点，从而提高采样精度。
电机定子绕组端部是一个悬梁臂结构，当绕组端部产生振动后，振动经过定子绕组、定子铁芯这些介质传递至发电机外壳。第一加速度传感器2采集外壳端部7的振动信号，并通过电缆信号线8将振动信号传递给监控主机6，监控主机6根据接收的振动信号计算出绕组端部的振动幅度，并对振动数据进行存储，然后将数据传递给工控机5，工控机5通过安装的监控软件将绕组端部的振动数据传递给显示器4进行可视化显示。
振动信号经过定子绕组、定子铁芯这些介质传递至发电机外壳的过程中，存在振幅衰减的现象，通过获得振幅衰减系数与内外振幅的关联数据，可以由外壳端部7的振动幅度获得绕组端部的振动幅度。本发明的基于外部传感器的发电机振动监测系统在对绕组端部的振动进行监控的过程中，如图5所示，具体包括以下监测步骤：
步骤1：构建振源的振动方位数据库和振动幅度数据库；
所述构建的振动方位数据库是指通过对发电机的绕组端部进行多次激励振动试验，所得出的激励振源的方位与电机外壳上多个加速度传感器接收到的振动信号的振动时间序列之间的统计数据。
所述构建的振动幅度数据库是指通过对发电机的绕组端部进行多次激励振动试验，所得出的振动衰减系数与外壳端部振动幅度、绕组端部振动幅度之间的统计数据。
所述构建振源的振动方位数据库和振动幅度数据库具体包括以下步骤：
步骤1.1：在对绕组线棒进行激励振动试验时，需要在发电机外壳端部上固定多个第一加速度传感器，在绕组端部上固定多个与第一加速度传感器的时钟方位相同的第二加速度传感器；
步骤1.2：采用冲击力锤激励绕组线棒的一个时钟方位，使绕组线棒产生频率为200HZ以下的振动信号；
步骤1.3：第一加速度传感器和第二加速度传感器分别采集振源的振动信号，第一加速度传感器检测外壳端部的第一振幅，第二加速度传感器检测绕组端部的第二振幅，根据内外振幅响应公式、第一振幅、第二振幅可计算出该时钟方位的振动衰减系数；
所述内外振幅响应公式为，其中A1为绕组端部的第一振幅，A2为外壳端部的第二振幅，Q为振动衰减系数，v为振动信号的传播速度，f为50HZ或100HZ，x2-x1为任意一个第一加速度传感器到振源的距离。
步骤1.4：从绕组线棒的不同时钟方位，多次重复执行步骤1.2和1.3，可得到多组激励振动试验的实验数据，对多组实验数据的第一振幅、第二振幅以及相对应的振动衰减系数进行数据统计，构建振动幅度数据库；
如图3所示，图中所示的第一加速度传感器为8个，沿顺时针方向分别对其进行编号a，b，c，d，e，f,g,h，向位于c和d之间的绕组线棒上施加激励F1，激励F1的位置即为振源的位置。振动信号分别被第一加速度传感器和第二加速度传感器采集，第一加速度传感器检测到的第一振幅为A1，第二加速度传感器检测到的第二振幅为A2，假设传感器a到振源的距离为x2-x1。将第一振幅为A1、第二振幅为A2和传感器a到振源的距离x2-x1代入内外振幅响应公式，可得到振源F1的振动衰减系数Q，将第一振幅为A1、第二振幅为A2和振动衰减系数Q作为一组实验数据。
然后，向位于b和c之间的绕组线棒上施加另一激励，重复以上操作，会得到另一组实验数据。多次重复以上操作，可得到多组激励振动试验的实验数据，对多组实验数据的第一振幅、第二振幅以及相对应的振动衰减系数进行数据统计，构建振动幅度数据库。
步骤1.5：拆除绕组端部上的第二加速度传感器；
步骤1.6：对发电机外壳端部上的多个第一加速度传感器进行编号；
步骤1.7：执行步骤1.2，监控主机记录每个第一加速度传感器检测到振动信号的时间，并获取振动信号的激励时间序列；
图3中，由于c和d距离振源的位置较近，振动信号首先被这两个传感器所采集，然后再被b和e所采集，再被a和f采集，最后被g和h所采集，假设传感器a检测到振动信号的时间为t1，传感器b检测到振动信号的时间为t2，传感器c检测到振动信号的时间为t3，传感器d检测到振动信号的时间为t4，传感器e检测到振动信号的时间为t5，传感器f检测到振动信号的时间为t6，传感器g检测到振动信号的时间为t7，传感器h检测到振动信号的时间为t8，监控主机会记录t1，t2，t3，t4，t5, t6, t7, t8这8个时间，并对这8个时间的先后顺序进行排序，获得振动信号的激励时间序列。
由于监控主机会记录不同位置的传感器接收到振动信号的时间，那么通过任意两个传感器接收振动信号的时间差，就可得到任意两个第一加速度传感器到振源的距离差。
步骤1.8：从绕组线棒的不同时钟方位，多次重复执行步骤1.7，可得到多组振动信号的激励时间序列，对多组实验数据的冲击力锤的激励方位及该方位对应的振动信号的激励时间序列进行数据统计，构建振源的振动方位数据库。
步骤2：多个第一加速度传感器检测定子外壳端部的振动信号；
步骤3：监控主机获取振动信号的振动时间序列，根据振动时间序列和振动方位数据库确定振源的振动方位；
步骤4：提取第一加速度传感器采集到的50HZ基频和100HZ倍频的振动信号，获取定子外壳端部的第一振幅，根据振动幅度数据库和第一振幅，获取振源的振动衰减系数；
当发电机以50Hz的频率运行时，转子磁场会在定子铁芯和定子绕组线棒上引起100Hz的倍频振动，发电机外壳的振动能量也主要集中在50Hz基频与100Hz倍频。当定子绕组端部的振幅发生变化，或定子铁芯和定子绕组线棒之间出现100Hz的共振时，发电机外壳的50Hz、100Hz振动势必也将发生变化。因此在对发电机外壳的振动幅度进行检测的过程中，需要提取频率为50HZ基频和100HZ倍频的振动信号，通过检测该种频率的振动信号振动势的变化幅度，就能得知发电机外壳的振动幅度。
步骤5：根据步骤4中获取的第一振幅、振动衰减系数，根据内外振幅响应公式计算出绕组端部的第二振幅；
步骤6：判断第二振幅是否超过预警值，若第二振幅超过αμm，则监控主机发出告警信号并在显示器上显示绕组端部的振动幅度；若第二振幅超过βμm或变化值超过γμm，则监控主机控制发电机停止运行并发出报警信号，在显示器上显示绕组端部的振动幅度。
在实际监测过程中，可根据需要设定第二振幅的预警值，例如可将αμm设定为250um，βμm设定为400um ，γμm设定为100um，当绕组端部的振动幅度超过250um时，监控主机会发出告警信号，监控主机会将振动数据传递给工控机，显示器可以对绕组端部的振动幅度进行非常直观的显示，以提醒工作人员注意发电机的工作状态。当绕组端部的振动幅度超过400um或振动幅度的变化值超过100um时，监控主机通过继电器控制发电机停止运行，并发出报警信号以提示工作人员进行维修，同时在显示器上显示绕组端部的振动幅度。工控机能够对发电机绕组端部的振动数据以及监控主机的发出的告警信息进行存储，在工控机的监控软件上，工作人员可以查看振动发生时间、振动信号频率、绕组端部的振动幅度等数据。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。