1、转子磁化对电涡流传感器测量的影响）摘 要 周口隆达发电有限公司#1 机自带负荷以来，#5 轴振一直超标。经过理论分析和试验实践，发现是励磁电流影响了振动值。采取相应措施，解决了这一难题。关键词 磁化 电涡流传感器 励磁电流 涡流 前置器一上海发电机厂生产的 135MW 电刷式汽轮发电机非驱动端转子的磁化问题：上海发电机厂生产的 135MW 电刷式汽轮发电机为旋转磁极式发电机组，其励磁电流是通过非驱动端的电刷和转子内部的电路送到发电机内部的磁极上，电流为6001800A。 （1）当汽轮机高速旋转时，由于电刷的高频切换，导致励磁电流的直流部分上叠加一高频震荡的交流信号，在转子的表面形成电涡流，使金
2、属的导磁特性发生改变，从而影响转子的电涡流传感器的测量，其涡流强度的大小与里励磁电流的强度成正比。（2）由于该电流在转子内部为闭合回路，所以在电流通过部分的纵切面相当于一个电磁铁。如图（一） _励 磁 线图 （ 一 ） 大 轴 励 磁 线图 （ 二 ） 电 涡 流 传 感 器轴 承 盖二、本特利内华达公司生产的 8mm 电涡流传感器的工作原理：本特利 8mm 电涡流传感器包括前置器、延伸电缆和探头，前置器是一种具有两种功能的电子部件，包含震荡器和解调器两种功能，由震荡器线路发出无线电频率信号，通过解调器将无线电频率信号调整为精确的可用数据。探头部分包含电感线圈，其延伸部分和延伸电缆构成电容部分
3、，共同组合成 LC 震荡电路，这一无线电频率信号将在 500KHz 到2MHz 的范围之内。当头部线圈通上高频（12MHz）电流 I 时，线圈 L 周围就产生了高频电磁场。如果线圈附近有一金属板，金属板内就要产生感应电流 ie。这种电流在金属板内是闭合的，所以叫做涡流，如图（三）所示，根据焦耳楞次定律，电涡流 ie 产生的电磁场与感应线圈的电磁场方向相反，这两个磁场相互叠加，改变了线圈的电感。电感的变化强度，与线圈的外形尺寸、线圈与金属板之间的距离 d、金属体材料的电阻率 、导磁率 、激励电流强度 i、频率 f、及线圈的几何形状 r、等参数有关。由于金属体是均质的，则线圈的电感L 可表示为：L
4、=F(, ,i,f,d,r)金 i i属 ie e 体 L 图（三）当被测材料一定时，、 为常数；对本特利电涡流传感器来说，I、f、为定值，r 为常数那么 L 就成为 d 的单值函数。高频电感线圈附近引入金属导体后，在金属体表面感应的涡流对线圈的反向作用，可用图（四）的等效电路来说明。1 R1 M 21 L1 L2 R2图（四）图（四）中，R 1 和 L1 为传感线圈的损耗电阻和电感， R2 和 L2 为被测金属体的等效损耗电阻和电感， 1 为线圈的高频激励电压，M 为传感器线圈与被测体之间的互感量，用来表征线圈与金属导体的耦合松紧程度，随距离 d 的增大而减小。根据基尔霍夫定律，可以将图（四
5、）所示的等效电路用下列方程式表示：（R 1 jL 1） 1jM 2 1jM 1（R 2jL 2） 20将上列方程式联立解得1（R 1jL 1） 1j 2 2M21/（R 2jL 2）（R 1R 2）j（ L1L 2） 1 Z 1Z（R 1R 1）j（L 1L 2）R2R 2 2M2/（R 22 2 L22）L2L 2 2M2/（R 22 2 L22）式中 R2、L 2分别表示在金属体涡流磁场作用下的线圈等效电阻的增加量和等效电感的减小量，Z 是涡流磁场反作用下线圈的阻抗，称作反射阻抗。反射阻抗 Z 公式中实数部分为：R=R1+R2 2M2/（R 22 2 L22）实数部分是等效损耗电阻 R1、
6、R 2 和互感系数 M 的函数。显然，当线圈和被测体间的距离减小时，其值增大，这一变化与被测体是否是磁性材料无关。虚数部分为：L= L1L 2 2M2/（R 22 2 L22）式中第一项 L1 与静磁效应有关，即被测体是不是磁性材料有关，式中第二项与电涡流效应有关。电涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场，此磁场使线圈的电感减小。间距 d越小，电感量减小程度就越大。当传感器与被测体间的间距减小时，静磁效应使得电感增大，而电涡流效应却使等效电感减小，这两种效应是相反的。当被测材料是软磁性材料时，以静磁效应为主，因而间距 d 减小时，线圈的等效电感量增大；如果被测体材料为非铁磁材料或硬磁材料时，线圈的
7、等效电感量减小。BENTLY NEVADA 电涡流传感器的测量原理采用的是调幅式。就是由振荡器产生一稳频稳幅的高频信号，用来激励由传感器线圈 L 和电容 C 组成的 LC 振荡回路，输出一个受位移 d控制的稳频调幅信号。当被测体接近传感器时，线圈的等效阻抗减小，输出电压随着减小。反之，则增加。由探头线圈发出的无线电频率信号将产生一个围绕探头头部的无线电频率区域。区域的大小与探头体内线圈的直径及前置器的输入电压成比例。传感器具有一个取决于传感器系统灵敏度的合成的线性范围。当导体物质暴露在无线电频率地区内，涡流将在这一物质的表面流动。涡流的贯穿深度取决于物质的导电性。4140 号钢的贯穿深度大约为
8、 0.03 英寸（30mils）.假如材料要做成板状，板的厚度至少应达到涡流贯穿深度，这将保证涡流总可以贯穿到板的材料中，以保持系统对于平板表面校验过的输出线性化。当探头和物体（目标）之间的距离（间隙）最小时，无线电频率信号的振幅处于最小值，这时涡流强度最大。当探头和物体（目标）之间的距离（间隙）最大时，无线电频率信号的振幅处于最大值，这时涡流强度最小。如果目标在无线电频率信号地区内移动较慢，则信号振幅的增加和减小变化较慢。如果目标在无线电频率信号地区内移动较快，则信号振幅的增加和减小变化较快。目标的快速移动导致了无线电频率信号的调制。调制电路对于信号振幅慢或快的变化用相同方式处理。如果目标不
9、动（信号振幅和间隙没有变化） ，前置器的输出为负的直流电压。如果目标移动得很快（信号振幅和间隙变化很快） ，前置器的输出为一变化的直流电压（交流） 。三磁化后的转子对振动测量的影响：当电涡流传感器安装之后如图（二）所示。主要原因是：由于受金属的影响，磁力线发生变形，当大轴旋转后，电涡流线圈不断地切割磁力线，则通过线圈的磁通量则不停地变化，在测量端产生一电动势 2，其频率是电涡流传感器的测量有效频率的倍频，3500 系统是不可能把它作为干扰信号而屏蔽掉的，这一部分干扰量就通过调制解调回路叠加到系统测量中去，对正确的测量产生一定的影响。当汽轮机高速旋转时，在金属导体表面形成涡流 ia，i a 与励
10、磁电流交流部分的频率 fa、励磁电流的大小 I、转子金属的等效损耗电阻 R2 和电感有关 L2，可以表示为：iaF 1（f a、I、R 2、L 2）式中 R2、L 2 对汽轮机转子来说为常数，当汽轮机稳定运行时（ 3000rpm） ，也近似不变，可以看作一定值，那么涡流的大小就成为励磁电流的单值函数。如果图（三）中 i=0，则 ie=ia则有图（五）所示的等效电路：b R1 M a3 L1 L2 R2图（五）则有：（R 1 j 1L1） bj 1Ma 3jM b（R 2jL 2） a0将上列方程式联立解得（R 1j 1L1） （R 2j 1L2）/j 1Maj 1Ma（L 2R1L 1R2）/
11、Mj 1（ 12L1 L2 12M 2R 1 R2）/ 12M 1 Z 11Z1（L 2R1L 1R2）/Mj 1（ 12L1 L2 12M 2R 1 R2）/ 12M很显然，测量端实际的电动势为轴承的实际值电动势 1、磁力线产生电动势 2 和转子表面涡流反影响电动势 3 的矢量和： 1 2 3这样就对测量的准确性和可靠性造成影响。四、转子的振动：当汽轮机转速达到 3000rpm 时，对于转子来说，已经达到了动平衡，各个影响转子振动的因素也达到了相对稳定的状态，除非有大的扰动，否则转子的振动量不会出现大的波动。当机组并网后，转子的振动会有一定程度的变化，其影响原因主要是蒸汽流量增加和电功率平衡
12、所致，蒸汽流量增加会引起汽轮机喷嘴和动叶内蒸汽的涡动，电功率的增加引起轴系扭距的加大。对于 300MW 及以下汽轮发电机来说，汽轮机并网前（转速 3000rpm,转子充分预热）到满负荷运转，振动变化量一般不大于 10m 。下面是周口隆达发电有限公司#1 汽轮发电机5 轴承振动的试验数据与分析：试验所采取的方法：周口隆达发电有限公司#1 汽轮发电机5 轴承振动采用的是复合探头，在轴承盖上内嵌式安装，其电涡流传感器即受转子表面涡流的影响，又受磁力线的影响。在距原安装位置 15cm 的地方平行安装一电涡流传感器（DCS 测点号为 3F312） 。在机组冲转到并网带满负荷的过程中，用示波器对其原始信号
13、进行观察，通过记录的历史数据对其结果进行分析。探头安装位置见图（六） （图中 15 为15 轴承振动测点安装位置，a 为临时测点安装位置，在轴瓦的外面） 。1 2 3 4 a 5图（六）为了便于分析，我们把个点的振动值定义为：VN 1N2V 表示振动值N1 表示5 测点，N 11 表示原测点，N 12 表示临时测点N2 表示曲线上对应的位置曲线（1）为周口隆达发电有限公司1 机组经充分预热后的升速曲线，可以看到当汽轮机转速在 3000rpm 时，5 轴承的振动为：V1A=88m V2A=72m这基本上为汽轮机的实际振动值，如果没有励磁系统的影响，汽轮机并网带满负荷时的5轴承振动也不会大于 10
14、0m。而由图（七）可以看出，当发电机功率在 135MW 时：V1B=194m V2B=144m对原始测点来说，有接近 100m 的虚假信号，这个信号可大致分为三个部分：一、 旋转的磁力线通过电涡流传感器的线圈引起的测量误差：图（七）图（八）图（八）所显示的机组并网前后的变化量就包括两个部分，其一是振动由于汽轮机运行工况的改变而变化的部分，这对两个测量点是基本相同的（两个测量点轴向位置相差为15cm） 。其二为转子表面电涡流的影响，由于转子内部结构相同，所以影响也基本上是一样的，由图（九） （并网曲线）可以看出： V 1=V1DV 1C=153100=53mV 2=V2DV 2C=10781=2
15、6m 并网 =V 2V 1=5326=27m 满负荷 (V 1B- V2B)(V 1AV 2A)=501634m所以 满负荷 即为汽轮机并网前后的旋转的磁力线引起的误差。图（九）二、转子表面电涡流引起的测量误差形成电涡流的转子表面，其导磁特性发生改变，影响电涡流传感器的线性。同时，又与涡流传感器产生的涡流磁场相互作用，引起测量误差。对于任意一个测点来说，转子表面电涡流引起的测量误差为: 1 并网 V 1DV 1A 并网 153882738m 1 满负荷 V 1BV 1A 满负荷 194883472m 2 并网 V 2DV 2A 并网 10772278m 2 满负荷 V 2BV 2A 满负荷 1
16、44723438m所以 2 并网 、 2 满负荷 即为汽轮机并网前后的转子表面电涡流引起的误差。 2 满负荷 即为汽轮机满负荷时转子表面电涡流引起的误差。三、其它方面的原因引起的误差：如测量元件振动、环境温度变化对电子线路的影响等，大概有 10m 左右。当然，以上计算并没有考虑到汽轮机变工况引起的振动变化，前面已经分析，变工况的影响大约在 010m 的范围内，这属于实际的振动。由以上数据可以看出，不管是磁通量或是电涡流的影响，都是随着励磁电流的增加而增加的，这一点从图（十） （升负荷曲线）上可以看清楚。另一方面，与电涡流传感器的安装位置有关，安装在轴瓦外部的，由于磁力线受金属的影响比较小，电涡
17、流传感器的线圈基本上不切割磁力线，所以误差要比内嵌安装受影响的幅度要小得多。图（十）五结论：根据以上分析，采取了以下措施：1、把内嵌式的电涡流传感器的安装改为外置式，可以消除磁力线对电涡流传感器的影响。2、选择轴径比较大的地方安装，可以相当大地改变转子表面涡流对测量的影响。3、增加底座的刚性，可以减少测量元件的振动。测试以及实际运行结果表明，本文提出的方法是可行的。基本解决了轴振超标这一难题。参考文献1 BENTLY NEVADA 培训教程传感器的安装与维修， 趋近式传感器系统操作及应用 2 新华控制工程有限公司 XDPS 控制系统2001，113 谷俊杰，丁常富汽轮机控制监视和保护 中国电力出版社 2002，10
