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电涡流传感器测量与转子磁化的关系

一、上海发电机厂生产的MW电刷式汽轮发电机非驱动端转子的磁化问题

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600~1A。(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)  
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,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(1~2MHz)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ρ、导磁率μ、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=F(ρ,μ,i,f,d,r)

当被测材料一定时,ρ、μ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。  
图(四)中,R1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,ú1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)所示的等效电路用下列方程式表示:

(R1+jωL1)í1-jωMí2=ú1

-jωMí1+(R2+jωL2)í2=0

将上列方程式联立解得

ú1=(R1+jωL1)í1-j2ω2M2í1/(R2+jωL2)

=[(R1+R2′)+jω(L1-L2′)]í1=Zí1

Z=(R1+R1′)+jω(L1-L2′)

R2′=R2ω2M2/(R22+ω2L22)

L2′=L2ω2M2/(R22+ω2L22)

式中R2′、L2′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+R2ω2M2/(R22+ω2L22)

实数部分是等效损耗电阻R1、R2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=L1-L2ω2M2/(R22+ω2L22)

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,线圈的等效电感量减小。

BENTLYNEVADA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ú2,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,ia与励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:

ia=F1(fa、I、R2、L2)

式中R2、L2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:  
则有:

(R1+jω1L1)íb-jω1Mía=ú3

-jωMíb+(R2+jωL2)ía=0

将上列方程式联立解得

=[(R1+jω1L1)(R2+jω1L2)/jω1M]ía-jω1Mía

=[(L2R1+L1R2)/M+jω1(ω12L1L2-ω12M2-R1R2)/ω12M]í1=Z1í1

Z1=(L2R1+L1R2)/M+jω1(ω12L1L2-ω12M2-R1R2)/ω12M

很显然,测量端实际的电动势为轴承的实际值电动势ú1、磁力线产生电动势ú2和转子表面涡流反影响电动势ú3的矢量和:

ú=ú1+ú2+ú3

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10μm。

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1~5为#1~#5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)。  
为了便于分析,我们把个点的振动值定义为:VN1N2

V表示振动值

N1表示#5测点,N1=1表示原测点,N1=2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=88μmV2A=72μm

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100μm。而由图(七)可以看出,当发电机功率在MW时:

V1B=194μmV2B=144μm

对原始测点来说,有接近100μm的虚假信号,这个信号可大致分为三个部分:

1.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(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:

ΔV1=V1D-V1C=153-100=53μm

ΔV2=V2D-V2C=107-81=26μm

Δ并网=ΔV2-ΔV1=53-26=27μm

Δ满负荷=(V1B-V2B)-(V1A-V2A)=50-16=34μm

所以Δ满负荷即为汽轮机并网前后的旋转的磁力线引起的误差。

2.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:

Δ1并网=V1D-V1A-Δ并网=153-88-27=38μm

Δ1满负荷=V1B-V1A-Δ满负荷=194-88-34=72μm

Δ2并网=V2D-V2A-Δ并网=107-72-27=8μm

Δ2满负荷=V2B-V2A-Δ满负荷=144-72-34=38μm

所以Δ2并网、Δ2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。Δ2满负荷即为汽轮机满负荷时转子表面电涡流引起的误差。
    图(七)
 
图(八)
  
图(九)
  
图(十)
3.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10μm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0~10μm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。

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。

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