發(fā)電機(jī)漏磁干擾電渦流傳感器的辨識(shí)與處理

李國(guó)豪，孫京生，管森森，王梓越，甘智勇

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司 電力科學(xué)研究院，天津300384；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津300010）

發(fā)電機(jī)組通常安裝有完備的軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)多依靠電渦流傳感器、速度傳感器等連續(xù)地將發(fā)電機(jī)各機(jī)械運(yùn)行參數(shù)顯示并記錄下來(lái)，以保障發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。 電渦流傳感器是通過(guò)電渦流效應(yīng)非接觸地測(cè)量探頭與被測(cè)物體之間距離的裝置，常安裝于發(fā)電機(jī)組軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用于測(cè)量轉(zhuǎn)速、軸振動(dòng)、軸位移等關(guān)乎機(jī)組安全運(yùn)行的重要參數(shù)。受電渦流傳感器工作機(jī)理的影響，安裝于發(fā)電機(jī)附近的傳感器較安裝于原動(dòng)機(jī)的更容易受到發(fā)電機(jī)電磁干擾而影響測(cè)量結(jié)果。 在此，從工程實(shí)際案例出發(fā)，列舉可能導(dǎo)致電渦流傳感器受到干擾的原因，通過(guò)試驗(yàn)逐一排除，最終鎖定干擾源為發(fā)電機(jī)漏磁；對(duì)發(fā)電機(jī)漏磁的原因進(jìn)行分析，對(duì)如何處理該現(xiàn)象提出建議，以期為工程人員發(fā)現(xiàn)、辨識(shí)并處理類似故障提供參考。

1 發(fā)電機(jī)軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

發(fā)電機(jī)軸系及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

1.1 發(fā)電機(jī)及軸系基本參數(shù)

圖1 發(fā)電機(jī)軸系及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本架構(gòu)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of basic structure of generator shafting and its monitoring system

被測(cè)發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司的QFSN-350-2 型大型同步發(fā)電機(jī)。 其額定/最大出力為350/380 MW，額定電壓為20.0 kV，額定電流為11.887 kA，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。發(fā)電機(jī)組軸系由發(fā)電機(jī)及支撐它的2 個(gè)軸承構(gòu)成，如圖1a 所示。

1.2 發(fā)電機(jī)軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

發(fā)電機(jī)組的日常運(yùn)行軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電渦流傳感器、磁電式速度傳感器等采集軸系運(yùn)行狀況反饋至3500 監(jiān)測(cè)器，如圖1b 所示。

其中，電渦流傳感器采用Bently Nevada 公司的3300 XL 8 mm 探頭配套延長(zhǎng)電纜、前置器，輸出阻抗為50 Ω，間隙設(shè)定值為1.27 mm，靈敏度為7.87 V/mm，線性偏差為±0.152 mm；磁電式速度傳感器為Bently Nevada 公司的9200 型，靈敏度為20 V·s/m，頻響為10～1000 Hz，幅值線性100 Hz 從0.254～127 mm/s 為±5%[1]。

1.3 試驗(yàn)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

由于軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的3500 監(jiān)測(cè)器數(shù)據(jù)記錄、處理能力有限，數(shù)據(jù)的采樣頻率僅為1 Hz，無(wú)法滿足復(fù)雜條件下的監(jiān)測(cè)、分析需求。 因此，在機(jī)組檢修前后，通常會(huì)由專業(yè)測(cè)試機(jī)構(gòu)加裝的同型號(hào)傳感器，以及存儲(chǔ)、分析能力更為強(qiáng)大的ADRE Sxp/408監(jiān)測(cè)器組成試驗(yàn)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1c 所示，其中ADRE Sxp/408 監(jiān)測(cè)器直接與加裝的傳感器（具備獨(dú)立供電）連接，同時(shí)還與3500 監(jiān)測(cè)器聯(lián)通，以獲取軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2 干擾信號(hào)的出現(xiàn)及干擾源排除

2.1 干擾信號(hào)的出現(xiàn)

在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中測(cè)試人員通過(guò)試驗(yàn)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)6 號(hào)軸承處X，Y 向電渦流傳感器（兩方向探頭安裝夾角為90°）示數(shù)均發(fā)生異常跳動(dòng)，疑似受到干擾，調(diào)取受干擾時(shí)間段的測(cè)量趨勢(shì)如圖2所示。 由圖可見(jiàn)存在明顯的干擾凸起。

圖2 受干擾時(shí)間段的測(cè)量趨勢(shì)Fig.2 Measurement trend of disturbed time period

2.2 干擾源的排除

為確定干擾源，測(cè)試人員調(diào)取同一時(shí)間頻譜圖進(jìn)行分析，干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)頻譜圖比對(duì)如圖3所示。

圖3 干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)頻譜圖比對(duì)Fig.3 Spectrum diagram comparison in the presence of interference signals

由圖2，圖3可見(jiàn)，干擾信號(hào)在X，Y 向?yàn)榉峭匠霈F(xiàn)，干擾點(diǎn)與正常點(diǎn)幅值相差約200 μm，但頻譜圖的差別不大。

在此，逐一排除可能導(dǎo)致電渦流傳感器受到干擾的因素。

2.2.1 排除電磁干擾對(duì)測(cè)量的影響

由于監(jiān)測(cè)器對(duì)頻譜僅能識(shí)別到500 Hz，干擾點(diǎn)較大的幅值應(yīng)為出現(xiàn)在中高頻，超出儀器的采集范圍，而電磁干擾在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中難以進(jìn)行治理，故無(wú)法排除電磁干擾對(duì)測(cè)量的影響。

2.2.2 排除前置器公共端擾動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響

電渦流傳感器的前置器有3 個(gè)接線端口，分別為公共端（0 V）、供電端（-24 V）、傳感器信號(hào)端。 由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)公共端經(jīng)常與其他系統(tǒng)并列，當(dāng)其他系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)或接地不良時(shí)，可能導(dǎo)致公共端擾動(dòng)，進(jìn)而干擾電渦流傳感器的測(cè)量。

為排除前置器公共端擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)試人員采用穩(wěn)壓電源單獨(dú)供電的方法對(duì)端子盒全部前置器（含5 號(hào)、6 號(hào)軸承傳感器及機(jī)尾鍵相傳感器）進(jìn)行單獨(dú)供電，與廠用電源系統(tǒng)隔離，實(shí)測(cè)干擾信號(hào)仍有出現(xiàn)，故排除公共端對(duì)測(cè)量的影響。

2.2.3 排除軸面損傷對(duì)測(cè)量的影響

電渦流傳感器測(cè)量的振動(dòng)幅值實(shí)際為間隙電壓的變化，當(dāng)軸面出現(xiàn)有凸起、凹陷、鐵屑等損傷時(shí)，會(huì)對(duì)電渦流傳感器的測(cè)量結(jié)果有較大影響。

為排除軸面損傷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)試人員在距離6 號(hào)軸承傳感器20 cm 處裸露軸面上，加裝2 個(gè)電渦流傳感器，采用穩(wěn)壓電源單獨(dú)供電及臨時(shí)鋪設(shè)的同軸線纜做信號(hào)傳輸，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間采集調(diào)取加裝傳感器測(cè)量趨勢(shì)如圖4所示。 通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)可見(jiàn)，干擾信號(hào)一直存在，故排除軸面損傷對(duì)測(cè)量的影響。

圖4 6 號(hào)軸承加裝傳感器的測(cè)量趨勢(shì)Fig.4 Measurement trend of No.6 bearing installed sensors

2.2.4 其他可能的干擾源

傳感器為精密電子器件，當(dāng)某一位置傳感器出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，應(yīng)首先考慮其安裝位置對(duì)測(cè)量的影響。 為確定干擾源，對(duì)其他可能影響測(cè)量的因素進(jìn)行了逐一排除，如：工作人員無(wú)線電干擾前置器，信號(hào)線纜短路、監(jiān)測(cè)器失靈、信號(hào)線松動(dòng)、探頭安裝不穩(wěn)等，其排除過(guò)程不再贅述。

3 干擾源的確定及處理

3.1 發(fā)電機(jī)漏磁干擾測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)人員通過(guò)逐一排除可能的干擾源，最終確定最可能的干擾源為電磁干擾，結(jié)合傳感器安裝位置及干擾表現(xiàn)，確定其故障原因應(yīng)為發(fā)電機(jī)漏磁。其基本表現(xiàn)如下：①干擾信號(hào)在同一位置傳感器非同步發(fā)生，觀測(cè)頻譜圖發(fā)現(xiàn)低頻下無(wú)擾動(dòng)，干擾發(fā)生在中高頻段，符合電磁干擾的特性；②干擾信號(hào)發(fā)生在安裝于發(fā)電機(jī)末端的傳感器，相鄰處加裝的傳感器也同樣受到干擾；③干擾信號(hào)為發(fā)電機(jī)大修后的啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)，出現(xiàn)時(shí)發(fā)電機(jī)處于啟動(dòng)空載狀態(tài)。

3.2 發(fā)電機(jī)漏磁的處理措施

測(cè)試人員在排除干擾源的過(guò)程中，采用6 號(hào)軸承處軸面消磁等臨時(shí)性方法進(jìn)行處理，干擾信號(hào)在處理后可消失5～10 min，而后無(wú)好轉(zhuǎn)跡象。 考慮到發(fā)電機(jī)漏磁故障的處理難度，建議在下一次停機(jī)檢修時(shí)進(jìn)行針對(duì)性處理。

對(duì)于發(fā)電機(jī)的漏磁，可以對(duì)發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用改變屏蔽層厚度、定轉(zhuǎn)子端部鐵心相對(duì)長(zhǎng)度、定子端部繞組直線段長(zhǎng)度及端部鐵心階梯高等結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的端部漏磁和渦流損耗的方式，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)端部漏磁和渦流損耗大小及分布的影響規(guī)律，所得結(jié)論為減小發(fā)電機(jī)端部漏磁及渦流損耗、優(yōu)化端部漏磁及渦流損耗分布提供依據(jù)[2]。 對(duì)于檢修后出現(xiàn)漏磁的，需對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)還原，力爭(zhēng)返回到設(shè)計(jì)出廠狀態(tài)的電氣、機(jī)械參數(shù)。

對(duì)于漏磁導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁化，可以采用退磁處理，退磁即周期性地改變纏繞在被磁化部件上的退磁線圈中的電流方向，并逐漸減小電流，使被磁化部件沿磁化曲線回到坐標(biāo)原點(diǎn)。 常用的退磁方法有直流退磁法和交流退磁法[3]。

3.3 發(fā)電機(jī)漏磁產(chǎn)生原因及危害

已投運(yùn)發(fā)電機(jī)的不當(dāng)檢修，通常是產(chǎn)生漏磁的主要原因。 發(fā)電機(jī)溫度過(guò)高、線圈管電流過(guò)大、軸承間隙調(diào)整不當(dāng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間斷性接地等，都可能導(dǎo)致漏磁發(fā)生。

漏磁在干擾周邊傳感器的同時(shí)還可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁化。 發(fā)電機(jī)組幾乎所有設(shè)備和零件都在“磁場(chǎng)環(huán)境”下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子的材質(zhì)比較特殊，屬于易被磁化物質(zhì)，轉(zhuǎn)子一端接地，另一端與軸承底座絕緣，雖然運(yùn)行狀態(tài)比較獨(dú)立，但依然會(huì)被磁化。 被磁化的轉(zhuǎn)子會(huì)干擾軸瓦的運(yùn)行性能，一方面轉(zhuǎn)子周邊的磁場(chǎng)和軸瓦周邊的磁場(chǎng)形成對(duì)比關(guān)系，對(duì)抗電流的摩擦力，會(huì)成為軸瓦正常運(yùn)行的阻礙。 另一方面，轉(zhuǎn)子周邊磁場(chǎng)形成的摩擦力也會(huì)讓轉(zhuǎn)子的功能受到影響[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

傳感器受到干擾是各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)維人員應(yīng)對(duì)相關(guān)傳感器的機(jī)理有深入的了解，應(yīng)對(duì)可能的干擾源有所預(yù)判。 因所涉及的發(fā)電機(jī)漏磁故障難以發(fā)現(xiàn)，日常運(yùn)行中所使用的監(jiān)測(cè)器因其采樣頻率原因難以發(fā)現(xiàn)該故障，故通過(guò)窮舉并排除可能干擾源的方式，最終確定故障原因。 通過(guò)試驗(yàn)研究，確定了判斷該故障的要點(diǎn)，為相關(guān)工程人員處理類似故障提供借鑒。