磁電式速度傳感器的使用和運行分析

劉 敏

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

汽輪發(fā)電機組的振動是機組安全與經(jīng)濟運行的重要指標(biāo)，高參數(shù)、大容量的機組通常都同時將垂直和水平向振動作為汽輪發(fā)電機組跳閘保護參數(shù)。目前浙江省內(nèi)各電廠使用的汽輪發(fā)電機組振動監(jiān)測設(shè)備多為美國本特利、瑞士VB-600和德國菲力浦的產(chǎn)品，少數(shù)使用日本產(chǎn)品，風(fēng)機則部份使用了國內(nèi)產(chǎn)品。多數(shù)振動傳感器的計量檢定結(jié)果性能比較穩(wěn)定，投入運行后能正確反映機組的振動變化，但有少數(shù)性能不穩(wěn)定，或因校驗、安裝、使用不當(dāng)導(dǎo)致運行中發(fā)生異常，影響機組正常運行，甚至導(dǎo)致機組跳閘。本文分析并提出了振動傳感器的使用注意事項與改進措施，供機組檢修維護人員參考。

1 磁電式速度傳感器

1.1 理論依據(jù)

機組振動的大小可用振動參量如位移、速度和加速度等不同量值表征，目前測量機組軸承振動（瓦振）常用磁電式速度傳感器。磁電式速度傳感器是利用磁感應(yīng)電動勢將機械振動轉(zhuǎn)換成電信號輸出的換能裝置，即在傳感器線性范圍內(nèi)其電壓輸出與機組振動速度成正比，適用于測量汽輪發(fā)電機組軸承蓋上的軸瓦或機殼振動。

機械振動根據(jù)振動的規(guī)律可以分為周期振動和非周期振動兩大類。周期振動有一種特殊形式為簡諧振動，各參量之間有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系，其運動規(guī)律為：

式中：D為位移量；A為振動位移；f為振動頻率；t為時間；φ為初始相位角。

在正弦振動條件下，其振動速度換算公式為：

式中：V為振動速度。

振動傳感器的靈敏度是傳感器輸出電量與輸入振動機械量之比。為確認振動監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運行，應(yīng)對傳感器的靈敏度Sv進行定期檢測：

式中：U為振動傳感器輸出電壓。

速度傳感器有兩種型式，即相對式和慣性式，電力系統(tǒng)常選用慣性式磁電傳感器，其基本結(jié)構(gòu)由彈簧支架、測量線圈、永久磁鋼、外殼和輸出引線端等部分構(gòu)成，圖1為結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 磁電式速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

傳感器由永久磁鋼產(chǎn)生恒定的直流磁場，軟彈簧一端與測量線圈連接，另一端與外殼連接。傳感器緊固在汽輪發(fā)電機組軸承蓋上并隨軸承座一起振動時，永久磁鋼和外殼隨被測物體同時上下振動，由于測量線圈有軟彈簧支撐，保持相對靜止不動，這樣測量線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢與機組的振動速度成正比。

1.3 工作特點

傳感器工作頻率范圍為5～1 000 Hz，在使用頻率范圍內(nèi)能輸出較強的電壓信號，且不易受電磁場和聲場的干擾，測量電路較簡單，傳感器輸出信號與電纜長度沒有特定的要求。

振動傳感器按照信號輸出方向可分為單向型（重直或水平向）和通用型（重直或水平向均可使用）兩類，現(xiàn)場安裝時應(yīng)注意傳感器的使用方向和系列號說明。

2 磁電式速度傳感器的安裝與運行維護

2.1 傳感器選型

訂購傳感器時，要參考產(chǎn)品系列號說明，注意傳感器測量方式、靈敏度、最低工作頻率，鎧裝或非鎧裝電纜總長度，電纜末端連接方式的選擇等。美國本特利公司生產(chǎn)的磁電式速度傳感器有單向型、通用型和高溫型（傳感器工作溫度-29℃～+204℃）等幾種類型，出廠靈敏度通常為19.7 mV/（mm·s-1）。德國 EPRO 公司生產(chǎn)的磁電式速度傳感器只有單向型和高溫型（傳感器工作溫度 200℃）， 出廠靈敏度為 17.5～28.5 mV/（mm·s-1），產(chǎn)品系列號不同，出廠靈敏度也不同。德國申克公司生產(chǎn)的磁電式速度傳感器只有單向型（工作溫度-10～+50℃），多用于水電廠，出廠靈敏度為 20.0 mV/（mm·s-1）。部份風(fēng)機上使用的國內(nèi)產(chǎn)品有∶無錫厚德自動化儀表有限公司生產(chǎn)的單向型和通用型磁電式速度傳感器，出廠靈敏度為20.0 mV/（mm·s-1）； 江陰第三電子儀器廠生產(chǎn)的磁電式速度傳感器，出廠靈敏度每批次均不相同，無產(chǎn)品系列號說明，傳感器互換性差，必須與二次表配套檢測、配套使用。

2．2 傳感器安裝

現(xiàn)場安裝和檢修維護中的不規(guī)范行為或?qū)毠?jié)的忽視，都可能對振動監(jiān)測系統(tǒng)的可靠運行產(chǎn)生影響。

（1）某電廠振動監(jiān)測系統(tǒng)工作不正常，檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場安裝未注意傳感器工作方向，使傳感器輸出信號不正常。磁電式速度傳感器安裝時要注意其工作方向，即安裝角度。傳感器工作方向有三種型式：重直向（0°±2.5°）、 水平向（90°±2.5°）和通用型（0°±100°，重直或水平均可使用）。

（2）某電廠使用美國本特利公司生產(chǎn)的磁電式速度傳感器，損壞后購買新傳感器時未注意產(chǎn)品系列號，使新傳感器接頭連接方式與原設(shè)計不匹配，影響在線振動監(jiān)控系統(tǒng)正常工作。

（3）現(xiàn)場安裝傳感器時應(yīng)保證其敏感軸與正弦激振方向垂直度偏差在±5°以內(nèi)，以減少測量誤差。

傳感器安裝時采用浮地方式，輸出引線插座即汽機現(xiàn)場側(cè)應(yīng)絕緣浮空,電纜宜采用二芯屏蔽電纜，屏蔽層在汽機現(xiàn)場側(cè)應(yīng)絕緣浮空，電纜屏蔽層應(yīng)直接延伸到機架，并將屏蔽線直接接在機架的COM或Shield端。

2.3 運行維護管理

（1）以美國本特利公司測量主機軸承振動（瓦振）的9200型傳感器為例說明其檢測方法。

傳感器安裝后，確認安裝方向和接線正確，接線和連接頭無松動。用檢定合格的萬用表測量傳感器兩端的輸出電阻值，應(yīng)在620 Ω左右。

在機組正常工作且汽機監(jiān)視儀表（TSI）系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，用萬用表測量傳感器兩端輸出交流電壓，同時記錄TSI系統(tǒng)適配該傳感器卡件通道二次儀表顯示的振幅指示值。該振動傳感器的出廠靈敏度為 19.7 mV/（mm·s-1）， 假設(shè)該通道顯示的振幅峰峰值A(chǔ)P-P為100 μm。根據(jù)公式（2）計算出機組的振動速度Vp應(yīng)為15.71 mm/s，代入公式（3）計算得出9200型傳感器輸出電壓有效值U應(yīng)為218.84 mV。

傳感器參考點靈敏度的偏差一般為±5%，頻率響應(yīng)靈敏度的偏差一般為±10%，但有個別廠家提供的參考點靈敏度偏差為±10%，需根據(jù)廠家說明書的要求判定檢查。

傳感器靈敏度的負偏差大于5%時應(yīng)引起注意，靈敏度偏離較大時應(yīng)及時更換傳感器，以免給機組安全運行帶來隱患。如無備品或所訂購傳感器不能及時到貨，應(yīng)采取應(yīng)急措施，如降低報警設(shè)定值，使運行人員提前注意。

（2）新機組安裝或校驗周期到期后的檢修安裝前，振動傳感器應(yīng)由具有檢定資質(zhì)的機構(gòu)檢驗合格。送檢時，須對傳感器進行保護處理，以免造成探頭損壞。

現(xiàn)場安裝時，傳感器應(yīng)配套使用，錯用會引起較大測量偏差。如某電廠一次風(fēng)機振動測量發(fā)現(xiàn)存在較大偏差，經(jīng)查是誤將引風(fēng)機的振動傳感器安裝在了一次風(fēng)機上。一次風(fēng)機正常工作且TSI系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，記錄振幅峰峰值為100 μm，根據(jù)公式（2）計算出的一次風(fēng)機振動速度應(yīng)為7.76 mm/s，一次風(fēng)機振動傳感器實測靈敏度為 32.74 mV/（mm·s-1）， 將計算值和實測靈敏度值代入公式（3）計算得出該傳感器輸出電壓有效值為179.65 mV。而錯用的引風(fēng)機振動傳感器實 測靈敏度為27.34 mV/（mm·s-1）， 同樣將該靈敏度值和一次風(fēng)機振動速度代入公式（3），計算出該傳感器輸出電壓有效值則為150.02 mV，與前者的測試誤差為16.5%。

（3）德國EPRO公司生產(chǎn)的磁電式速度傳感器，由于產(chǎn)品系列號不同，出廠靈敏度也不相同，因此選擇不當(dāng)會產(chǎn)生測量誤差。選擇使用或訂購備品時應(yīng)認真閱讀產(chǎn)品使用說明書和傳感器的產(chǎn)品系列號說明。

（4）送檢的磁電式速度傳感器常有電纜絕緣層開裂現(xiàn)象，原因是就地電纜因環(huán)境溫度高或接觸油后老化以及大修裝卸時不注意的磨損而引起，導(dǎo)致絕緣下降或多點接地。多點接地在不同的地網(wǎng)間會產(chǎn)生電勢差，在屏蔽層產(chǎn)生環(huán)流，疊加在信號上會引起模擬量波動或突變，對測量系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。因此測量回路中的電纜老化問題不容忽視，應(yīng)列為機組檢修時的檢查項目。

某600 MW機組軸承振動信號跳變和某300 MW機組汽輪機轉(zhuǎn)速信號跳變，分別引起機組跳閘，經(jīng)查都是連接電纜安裝敷設(shè)時未做好防護，屏蔽層因振動等原因磨損，造成兩點或多點接地。

某機組汽動給水泵軸承振動有不定期波動現(xiàn)象，原因也是就地電纜因環(huán)境溫度高而老化引起。

某脫硫增壓風(fēng)機在停運情況下，振動信號有跳變4.4 mm/s的情況，檢查發(fā)現(xiàn)為就地機柜的接地虛焊。將機柜接地扁鐵重新焊接牢固，增壓風(fēng)機振動跳變消失，恢復(fù)正常。

（5）汽輪發(fā)電機組高壓缸處1-3號軸承應(yīng)選用高溫型傳感器、耐高溫電纜，以提高傳感器工作穩(wěn)定性。

（6）發(fā)現(xiàn)信號異變或運行中信號記錄曲線有異常時，應(yīng)及時檢查與處理，并將曲線歸檔保存。

3 結(jié)語

掌握磁電式速度傳感器的工作原理和正確的檢定、安裝、使用方法，是保證TSI系統(tǒng)可靠運行的前提和及時正確判斷機組振動異常原因的基礎(chǔ)。為保證機組安全、穩(wěn)定運行，應(yīng)對TSI系統(tǒng)定期自查、按周期檢定，及時消除缺陷并建立考評制度。配置必要的易損備品備件，損壞時能及時更換，確保TSI系統(tǒng)能正常工作。

[1]嚴可國.大型旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測保護故障診斷系統(tǒng)[M].北京：英華達電力電子工程科技有限公司.1994.

[2]孫長生，王建強，項謹.汽輪機監(jiān)視儀表可靠性分析與改進措施[J].中國電力，2007，40（11）∶85-88.