转子磁化对电涡流传感器的影响

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1、转子磁化对电涡流传感器测量的影响河南周口隆达发电有限公司）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

2、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500KH

3、z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i。这种电流在金属板内是闭合的，所以叫 e做涡流，如图（三）所示，根据焦耳一楞次定律，电涡流i产生的电磁场与感应线圈的电磁 e 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p、导磁率卩、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(p , p ,i,f,d,r)金属i体图(三)当被测材料一定时，p、p为

4、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)图(四)中，R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，U1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：(R+j3j3 Mf2=Ui-jw ML+(R2+j3 L2)f2=0将上列方程式联立解得U=(R+jwL)L-j232M

5、2* (R2+jwL2)=(R+R2)+j3 (LL2) LZ=(R1+R)+jw (L1-L2，)1 1 1 2R2=R23 2M2/ (R22 +W 2 L22)L2=L23 2M2/ (R22+w 2 L22)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+R2w 2M2/(R22+ w 2 L22)实数部分是等效损耗电阻R、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= L-L2w 2

6、M2/(R22+ w 2 L22)式中第一项 L 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。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

7、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

8、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

9、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U2,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、 a a a 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：i =

10、F1 （f、I、R2、L2）a 1 a 2 2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i=iea则有图（五）所示的等效电路：R2则有：(Rl+j3j3 帆岂-jw Mfb+(R2+j3 L2)ia=0将上列方程式联立解得=(R1+jw L1) (R2+jw L2) /jw Mf jw Ml1112121 a 1 a=(L2R1+L1R2) /M+jw (w 2L1 L2 w 2M 2R1 R2) /w 2M 1 =乙丄2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 2 1

11、1 11Z1=(L2R1+L1R2) /M+jw (w 2L1 L2 w 2M 2R1 R2) /w 2M1 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 2 1很显然，测量端实际的电动势为轴承的实际值电动势叽、磁力线产生电动势u2和转子 表面涡流反影响电动势卩3的矢量和：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

12、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10p m。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

13、其结果 进行分析。探头安装位置见图(六)(图中15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：VNN2V 表示振动值N1表示#5测点，叫=1表示原测点，叫=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=88p mV2A=72p m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100p m。而由图(七)可以看出，当发电机功率在135MW时：VB=19

14、4mV2B=144p m对原始测点来说，有接近100M m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：20D.O 1600.0 300.0300.05史齡抒凯第3虫酸临时测点翅时间范圉:200311-11,17:00:00-2003-1111,20:00:00 标尺I勺间；2003-1M1,1G:30:DO底磁审.流 #5讳克妙_ B天-盯汾:秒0-03:00:00ecsaifOOO3tls：25200M1-1120 爲 002003-1M1 17:00:00MW3f312埃电机功率鱼 备用图（七）w$打J屯追势打印：第39込临时测点組时间誌事

15、:2003-11-10,01 ：24：00-2003-11-10,01:34:00 标貢时直；5003-11-10,01:33:03M2QQ0 11600-0MM 300.0 &DO.D 溉 S300.0览电机贡率值MW够矩L：；祕腌转遠值ZZJr/m天-时:分砂0-00:10:00 ecsaifOOO 3tt$i25励礎电流#3讷葩动W0.D .0.0 MMO.a ao tC,02003-11-1001:34:002003-11-10 01:24:00 MW31312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=VDVC=153 100=53pm V2=V2dV2c=107 81=26pm = V2 V=53 26=27pm并网 2 1满负荷二(V