某水电站为地下式厂房,装有6台单机容量为700MW的水轮发电机组,发电机为立轴半伞式,发电机上导轴承油盆油位安装一套磁翻板液位计,液位计配置有模拟量和开关量信号送至监控系统,磁开关是磁翻板液位计判断油位是否正常的重要开关量信号,外部磁场引起磁翻板液位计磁开关误动作,不但影响运行人员对油位是否正常的判断,还影响水轮发电机组的安全稳定运行。因此,如何有效地消除外部磁场对磁开关的干扰值得研宄。
文中主要针对外部磁场引起磁翻板液位计磁开关误动作情况,对不同类型的磁场干扰源及不同种类的磁场屏蔽材料进行分析研究,总结不同的磁场干扰源与磁场屏蔽材料的关系。结果表明,对低频磁场,可用高导磁材料做屏蔽体来实现磁场屏蔽;对高频磁场,由于同时存在电场分量和磁场分量,因此要求电场屏蔽和磁场屏蔽同时进行。通过分析研究,最终找到了解决外部磁场引起磁翻板液位计磁开关的处理措施。
2.磁翻板液位计原理介绍
磁翻板液位计根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成。当被测容器中的液位升降时,液位计本体管中的磁性浮子也随之升降,浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器,驱动红、白翻柱翻转180°,当液位上升时翻柱由白色转变为红色,当液位下降时翻柱由红色转变为白色,指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度,从而实现液位清晰的指示。控制型液位计在磁翻板液位计的基础上增加了磁开关,在监测液位的同时磁开关信号可用于对液位进行控制或报警;远传型是在磁翻板液位计的基础上增加4~20mA变送传感器,在现场监测液位的同时将液位的变化通过变送传感器、线缆及仪表传到控制室,实现远程监测和控制。磁开关是一种有触点的无源电子开关元件,装有两个铁质的弹性黃片电板,还灌有惰性气体。平时,两个簧片是分开的,当有磁性物质靠近时,两个簧片被磁化而互相吸引接触,簧片就会吸合在一起,使接点所接的电路连通。外部磁力消失后,两个黃片由于本身的弹性而分开,电路就开了。因此,磁开关是一种利用磁场信号来控制的开关器件。
3.磁开关误动作原因分析
分析某水电站监控故障信息一览表,发现磁开关误动时间与励磁系统起励时间一致,而磁开关安装位置正好处在励磁电缆下方,初步断定磁开关误动作由励磁电流产生的磁场干扰引起。发现该问题后,将磁开关靠近运行中的发电机滑环室,由于此处磁场较强,磁开关受磁场力的作用又再一次动作。因此,可以'断定磁开关的误动作由外部磁场干扰引起。进一步分析可知,励磁电流属于直流电流,所感应出的磁场属于低频磁场
磁开关内部装有铁质的弹性簧片,在低频磁场中,铁质簧片被磁化,从而使弹性簧片吸合导通,而油位计内部磁翻板未达到磁开关动作值的位置,所以监控误报油位异常信号。当机组停机时,励磁电缆中电流消失,但此时磁开关误动作信号并未复归,下面将通过磁滞回线的概念来解释此现象。
从图2 (强磁物质磁滞回线)分析得出,当励磁电缆中通过电流时,在周围感应出磁场,磁开关中的铁质簧片被磁化,一定时间后达到饱和状态。机组停机后,励磁电缆中电流消失,周围磁场开始减弱,磁开关中的铁质簧片也开始退磁,如图2可看出,当周围磁场减小到0时,磁滞回线中因为矫顽力的存在,铁质簧片的磁性并没有完全消失,所以磁开关误动作的信号不会复归。此时需要在磁开关附近用永久磁铁产生一个与原磁场方向相反的磁场,使矫顽力相互抵消,铁质簧片中的磁性消失,磁开关误动作信号复归。
4.屏蔽外部磁场的处理措施
4.1磁场屏蔽原理介绍
磁场由磁体产生,由磁体的N极指向S极,在磁体的外部形成闭合的形式,距离辖射源越近,磁场强度越强。磁场的屏蔽的原理是利用磁性屏蔽材料,改变磁场的方向,由于磁场通过低磁阻的通路被旁路掉,因此可保证被屏蔽的物体不受磁场的干扰影响。磁场屏蔽分为静磁屏蔽和电磁屏蔽。
静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场,静磁屏蔽是利用高磁导率M的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁场,静磁屏蔽的原理可以用磁路的概念来说明,如将铁磁材料做成截面如图2的回路,则在外磁场中,绝大部分磁场集中在铁磁回路中。这可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析。因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍,所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多,外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过,而进入空腔的磁通量极少。这样,被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场,从而达到静磁屏蔽的目的。
电磁场在导电介质中传播时,其场量(E和H)的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。从能量的观点看,电磁波在导电介质中传播时有能量损耗,因此,表现为场量振幅的减小。导体表面的场量最大,愈深入导体内部,场量愈小。这种现象也称为趋肤效应。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而做成电磁屏蔽装置。电磁屏蔽是抑制干扰,增强设备的可靠性及提髙产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽,可以抑制外来高频电磁波的干扰,也可以避免作为干扰源去影响其他设备。
4.2磁场屏蔽材料选取
磁性屏蔽材料的磁导率与外界的磁场强度有关,外界磁场强度不同,磁性材料的磁导率也不同,饱和通量密度也不同,因此,在磁场的屏蔽设计中的作用也不同。当屏蔽低频磁场时,选择磁钢、坡莫合金、铁等导磁率高的材料,而屏蔽高频磁场则应选择铜铝等导电率高的材料。
4.3处理措施
从以上分析可知,水轮发电机组各轴承油盆磁翻板油位计所受的干扰属于低频磁场干扰,屏蔽应选用高磁导率材料,由于条件限制,我们选用了厚度为5mm铁板作为屏蔽材料,且在设计时,尽可能的少留孔洞及缝隙,避免增加磁屏蔽体的磁阻,从而降低屏蔽效果,开机起励后进行验证,上导轴承油槽油位异常信号未再报出。
5.结论
低频磁场的干扰是引起某水电站水轮发电机组上导轴承油槽磁翻板液位计磁开关误动作的重要因素,经过多次实验分析,得到以下结论:
1)屏蔽低频磁场的材料应选用高磁导率材料的磁翻板液位计;
2)磁场强度较大时,应增加磁屏蔽材料的厚度;
3)尽可能的减少屏蔽体的接缝和孔洞,避免增加磁屏蔽体的磁阻,降低屏蔽效果。缝隙、孔洞尽量沿磁场方向分布。
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