淺析轉子磁化對電渦流傳感器測量的影響

　　一、上海發電機廠生產的135MW電刷式汽輪發電機非驅動端轉子的磁化問題
　　
　　上海發電機廠生產的135MW電刷式汽輪發電機為旋轉磁極式發電機組，其勵磁電流是通過非驅動端的電刷和轉子內部的電路送到發電機內部的磁極上，電流為600～1800A。（1）當汽輪機高速旋轉時，由于電刷的高頻切換，導致勵磁電流的直流部分上疊加一高頻震蕩的交流信號，在轉子的表面形成電渦流，使金屬的導磁特性發生改變，從而影響轉子的電渦流傳感器的測量，其渦流強度的大小與里勵磁電流的強度成正比。（2）由于該電流在轉子內部為閉合回路，所以在電流通過部分的縱切面相當于一個電磁鐵。如圖（一）　　
　　二、本特利內華達公司生產的8mm電渦流傳感器的工作原理
　　
　　本特利8mm電渦流傳感器包括前置器、延伸電纜和探頭，前置器是一種具有兩種功能的電子部件，包含震蕩器和解調器兩種功能，由震蕩器線路發出無線電頻率信號，通過解調器將無線電頻率信號調整為的可用數據。探頭部分包含電感線圈，其延伸部分和延伸電纜構成電容部分，共同組合成LC震蕩電路，這一無線電頻率信號將在500KHz到2MHz的范圍之內。　　
　　當頭部線圈通上高頻（1～2MHz）電流I時，線圈L周圍就產生了高頻電磁場。如果線圈附近有一金屬板，金屬板內就要產生感應電流ie。這種電流在金屬板內是閉合的，所以叫做渦流，如圖（三）所示，根據焦耳—楞次定律，電渦流ie產生的電磁場與感應線圈的電磁場方向相反，這兩個磁場相互疊加，改變了線圈的電感。電感的變化強度，與線圈的外形尺寸、線圈與金屬板之間的距離d、金屬體材料的電阻率ρ、導磁率μ、激勵電流強度i、頻率f、及線圈的幾何形狀r、等參數有關。由于金屬體是均質的，則線圈的電感L可表示為：
　　
　　L=F（ρ,μ,i,f,d,r）
　　
　　當被測材料一定時，ρ、μ為常數；對本特利電渦流傳感器來說，I、f、為定值，r為常數那么L就成為d的單值函數。
　　
　　高頻電感線圈附近引入金屬導體后，在金屬體表面感應的渦流對線圈的反向作用，可用圖（四）的等效電路來說明。　　
　　圖（四）中，R1和L1為傳感線圈的損耗電阻和電感，R2和L2為被測金屬體的等效損耗電阻和電感，ú1為線圈的高頻激勵電壓，M為傳感器線圈與被測體之間的互感量，用來表征線圈與金屬導體的耦合松緊程度，隨距離d的增大而減小。
　　
　　根據基爾霍夫定律，可以將圖（四）所示的等效電路用下列方程式表示：
　　
　　（R1＋jωL1）í1－jωMí2＝ú1
　　
　　－jωMí1＋（R2＋jωL2）í2＝0
　　
　　將上列方程式聯立解得
　　
　　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′分別表示在金屬體渦流磁場作用下的線圈等效電阻的增加量和等效電感的減小量，Z是渦流磁場反作用下線圈的阻抗，稱作反射阻抗。反射阻抗Z公式中實數部分為：
　　
　　R=R1+R2ω2M2/（R22＋ω2L22）
　　
　　實數部分是等效損耗電阻R1、R2和互感系數M的函數。顯然，當線圈和被測體間的距離減小時，其值增大，這一變化與被測體是否是磁性材料無關。虛數部分為：
　　
　　L=L1－L2ω2M2/（R22＋ω2L22）
　　
　　式中*項L1與靜磁效應有關，即被測體是不是磁性材料有關，式中第二項與電渦流效應有關。電渦流產生一個與原磁場方向相反的磁場，此磁場使線圈的電感減小。間距d越小，電感量減小程度就越大。當傳感器與被測體間的間距減小時，靜磁效應使得電感增大，而電渦流效應卻使等效電感減小，這兩種效應是相反的。當被測材料是軟磁性材料時，以靜磁效應為主，因而間距d減小時，線圈的等效電感量增大；如果被測體材料為非鐵磁材料或硬磁材料時，線圈的等效電感量減小。
　　
　　BENTLYNEVADA電渦流傳感器的測量原理采用的是調幅式。就是由振蕩器產生一穩頻穩幅的高頻信號，用來激勵由傳感器線圈L和電容C組成的LC振蕩回路，輸出一個受位移d控制的穩頻調幅信號。當被測體接近傳感器時，線圈的等效阻抗減小，輸出電壓隨著減小。反之，則增加。
　　
　　由探頭線圈發出的無線電頻率信號將產生一個圍繞探頭頭部的無線電頻率區域。區域的大小與探頭體內線圈的直徑及前置器的輸入電壓成比例。傳感器具有一個取決于傳感器系統靈敏度的合成的線性范圍。
　　
　　當導體物質暴露在無線電頻率地區內，渦流將在這一物質的表面流動。渦流的貫穿深度取決于物質的導電性。4140號鋼的貫穿深度大約為0.03英寸（30mils）.
　　
　　假如材料要做成板狀，板的厚度至少應達到渦流貫穿深度，這將保證渦流總可以貫穿到板的材料中，以保持系統對于平板表面校驗過的輸出線性化。
　　
　　當探頭和物體（目標）之間的距離（間隙）zui小時，無線電頻率信號的振幅處于zui小值，這時渦流強度zui大。
　　
　　當探頭和物體（目標）之間的距離（間隙）zui大時，無線電頻率信號的振幅處于zui大值，這時渦流強度zui小。
　　
　　如果目標在無線電頻率信號地區內移動較慢，則信號振幅的增加和減小變化較慢。如果目標在無線電頻率信號地區內移動較快，則信號振幅的增加和減小變化較快。目標的快速移動導致了無線電頻率信號的調制。
　　
　　調制電路對于信號振幅慢或快的變化用相同方式處理。如果目標不動（信號振幅和間隙沒有變化），前置器的輸出為負的直流電壓。如果目標移動得很快（信號振幅和間隙變化很快），前置器的輸出為一變化的直流電壓（交流）。
　　
　　三、磁化后的轉子對振動測量的影響
　　
　　當電渦流傳感器安裝之后如圖（二）所示。主要原因是：由于受金屬的影響，磁力線發生變形，當大軸旋轉后，電渦流線圈不斷地切割磁力線，則通過線圈的磁通量則不停地變化，在測量端產生一電動勢ú2，其頻率是電渦流傳感器的測量有效頻率的倍頻，3500系統是不可能把它作為干擾信號而屏蔽掉的，這一部分干擾量就通過調制解調回路疊加到系統測量中去，對正確的測量產生一定的影響。
　　
　　當汽輪機高速旋轉時，在金屬導體表面形成渦流ia，ia與勵磁電流交流部分的頻率fa、勵磁電流的大小I、轉子金屬的等效損耗電阻R2和電感有關L2，可以表示為：
　　
　　ia＝F1（fa、I、R2、L2）
　　
　　式中R2、L2對汽輪機轉子來說為常數，當汽輪機穩定運行時（3000rpm），也近似不變，可以看作一定值，那么渦流的大小就成為勵磁電流的單值函數。
　　
　　如果圖（三）中i=0，則ie=ia
　　
　　則有圖（五）所示的等效電路：　　
　　則有：
　　
　　（R1＋jω1L1）íb－jω1Mía＝ú3
　　
　　－jωMíb＋（R2＋jωL2）ía＝0
　　
　　將上列方程式聯立解得
　　
　　＝[（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
　　
　　很顯然，測量端實際的電動勢為軸承的實際值電動勢ú1、磁力線產生電動勢ú2和轉子表面渦流反影響電動勢ú3的矢量和：
　　
　　ú＝ú1＋ú2＋ú3
　　
　　這樣就對測量的準確性和可靠性造成影響。
　　
　　四、轉子的振動
　　
　　當汽輪機轉速達到3000rpm時，對于轉子來說，已經達到了動平衡，各個影響轉子振動的因素也達到了相對穩定的狀態，除非有大的擾動，否則轉子的振動量不會出現大的波動。當機組并網后，轉子的振動會有一定程度的變化，其影響原因主要是蒸汽流量增加和電功率平衡所致，蒸汽流量增加會引起汽輪機噴嘴和動葉內蒸汽的渦動，電功率的增加引起軸系扭距的加大。對于300MW及以下汽輪發電機來說，汽輪機并網前（轉速3000rpm,轉子充分預熱）到滿負荷運轉，振動變化量一般不大于10μm。
　　
　　下面是周口隆達發電有限公司#1汽輪發電機＃5軸承振動的試驗數據與分析：
　　
　　試驗所采取的方法：周口隆達發電有限公司#1汽輪發電機＃5軸承振動采用的是復合探頭，在軸承蓋上內嵌式安裝，其電渦流傳感器即受轉子表面渦流的影響，又受磁力線的影響。在距原安裝位置15cm的地方平行安裝一電渦流傳感器（DCS測點號為3F312）。在機組沖轉到并網帶滿負荷的過程中，用示波器對其原始信號進行觀察，通過記錄的歷史數據對其結果進行分析。探頭安裝位置見圖（六）（圖中1～5為＃1～＃5軸承振動測點安裝位置，a為臨時測點安裝位置，在軸瓦的外面）。　　
　　為了便于分析，我們把個點的振動值定義為：VN1N2
　　
　　V表示振動值
　　
　　N1表示＃5測點，N1＝1表示原測點，N1＝2表示臨時測點
　　
　　N2表示曲線上對應的位置
　　
　　曲線（1）為周口隆達發電有限公司＃1機組經充分預熱后的升速曲線，可以看到當汽輪機轉速在3000rpm時，＃5軸承的振動為：
　　
　　V1A=88μmV2A=72μm
　　
　　這基本上為汽輪機的實際振動值，如果沒有勵磁系統的影響，汽輪機并網帶滿負荷時的＃5軸承振動也不會大于100μm。而由圖（七）可以看出，當發電機功率在135MW時：
　　
　　V1B=194μmV2B=144μm
　　
　　對原始測點來說，有接近100μm的虛假信號，這個信號可大致分為三個部分：
　　
　　1.旋轉的磁力線通過電渦流傳感器的線圈引起的測量誤差：
　　
　　圖（八）所顯示的機組并網前后的變化量就包括兩個部分，其一是振動由于汽輪機運行工況的改變而變化的部分，這對兩個測量點是基本相同的（兩個測量點軸向位置相差為15cm）。
　　
　　其二為轉子表面電渦流的影響，由于轉子內部結構相同，所以影響也基本上是一樣的，由圖（九）（并網曲線）可以看出：
　　
　　ΔV1=V1D－V1C=153－100=53μm
　　
　　ΔV2=V2D－V2C=107－81=26μm
　　
　　Δ并網=ΔV2－ΔV1=53－26=27μm
　　
　　Δ滿負荷＝（V1B-V2B）－（V1A－V2A）=50－16＝34μm
　　
　　所以Δ滿負荷即為汽輪機并網前后的旋轉的磁力線引起的誤差。
　　
　　2.轉子表面電渦流引起的測量誤差
　　
　　形成電渦流的轉子表面，其導磁特性發生改變，影響電渦流傳感器的線性。同時，又與渦流傳感器產生的渦流磁場相互作用，引起測量誤差。
　　
　　對于任意一個測點來說，轉子表面電渦流引起的測量誤差為:
　　
　　Δ1并網＝V1D－V1A－Δ并網＝153－88－27＝38μm
　　
　　Δ1滿負荷＝V1B－V1A－Δ滿負荷＝194－88－34＝72μm
　　
　　Δ2并網＝V2D－V2A－Δ并網＝107－72－27＝8μm
　　
　　Δ2滿負荷＝V2B－V2A－Δ滿負荷＝144－72－34＝38μm
　　
　　所以Δ2并網、Δ2滿負荷即為汽輪機并網前后的轉子表面電渦流引起的誤差。Δ2滿負荷即為汽輪機滿負荷時轉子表面電渦流引起的誤差。
　　3.其它方面的原因引起的誤差：如測量元件振動、環境溫度變化對電子線路的影響等，大概有10μm左右。
　　
　　當然，以上計算并沒有考慮到汽輪機變工況引起的振動變化，前面已經分析，變工況的影響大約在0～10μm的范圍內，這屬于實際的振動。
　　
　　由以上數據可以看出，不管是磁通量或是電渦流的影響，都是隨著勵磁電流的增加而增加的，這一點從圖（十）（升負荷曲線）上可以看清楚。另一方面，與電渦流傳感器的安裝位置有關，安裝在軸瓦外部的，由于磁力線受金屬的影響比較小，電渦流傳感器的線圈基本上不切割磁力線，所以誤差要比內嵌安裝受影響的幅度要小得多。
　　
　　五、結論
　　
　　根據以上分析，采取了以下措施：
　　
　　1、把內嵌式的電渦流傳感器的安裝改為外置式，可以消除磁力線對電渦流傳感器的影響。
　　
　　2、選擇軸徑比較大的地方安裝，可以相當大地改變轉子表面渦流對測量的影響。
　　
　　3、增加底座的剛性，可以減少測量元件的振動。
　　
　　測試以及實際運行結果表明，本文提出的方法是可行的。基本解決了軸振超標這一難題。
　　
　　[參考文獻]
　　
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　　[2]新華控制工程有限公司．XDPS控制系統．2001，11
　　
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