1.引言
某水電站為地下式廠房,裝有6臺單機容量為700MW的水輪發電機組,發電機為立軸半傘式,發電機上導軸承油盆油位安裝一套磁翻板液位計,液位計配置有模擬量和開關量信號送至監控系統,磁開關是磁翻板液位計判斷油位是否正常的重要開關量信號,外部磁場引起磁翻板液位計磁開關誤動作,不但影響運行人員對油位是否正常的判斷,還影響水輪發電機組的安全穩定運行。因此,如何有效地消除外部磁場對磁開關的干擾值得研宄。
文中主要針對外部磁場引起磁翻板液位計磁開關誤動作情況,對不同類型的磁場干擾源及不同種類的磁場屏蔽材料進行分析研究,總結不同的磁場干擾源與磁場屏蔽材料的關系。結果表明,對低頻磁場,可用高導磁材料做屏蔽體來實現磁場屏蔽;對高頻磁場,由于同時存在電場分量和磁場分量,因此要求電場屏蔽和磁場屏蔽同時進行。通過分析研究,最終找到了解決外部磁場引起磁翻板液位計磁開關的處理措施。
2.磁翻板液位計原理介紹
磁翻板液位計根據浮力原理和磁性耦合作用而成。當被測容器中的液位升降時,液位計本體管中的磁性浮子也隨之升降,浮子內的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器,驅動紅、白翻柱翻轉180°,當液位上升時翻柱由白色轉變為紅色,當液位下降時翻柱由紅色轉變為白色,指示器的紅白交界處為容器內部液位的實際高度,從而實現液位清晰的指示。控制型液位計在磁翻板液位計的基礎上增加了磁開關,在監測液位的同時磁開關信號可用于對液位進行控制或報警;遠傳型是在磁翻板液位計的基礎上增加4~20mA變送傳感器,在現場監測液位的同時將液位的變化通過變送傳感器、線纜及儀表傳到控制室,實現遠程監測和控制。磁開關是一種有觸點的無源電子開關元件,裝有兩個鐵質的彈性黃片電板,還灌有惰性氣體。平時,兩個簧片是分開的,當有磁性物質靠近時,兩個簧片被磁化而互相吸引接觸,簧片就會吸合在一起,使接點所接的電路連通。外部磁力消失后,兩個黃片由于本身的彈性而分開,電路就開了。因此,磁開關是一種利用磁場信號來控制的開關器件。
3.磁開關誤動作原因分析
分析某水電站監控故障信息一覽表,發現磁開關誤動時間與勵磁系統起勵時間一致,而磁開關安裝位置正好處在勵磁電纜下方,初步斷定磁開關誤動作由勵磁電流產生的磁場干擾引起。發現該問題后,將磁開關靠近運行中的發電機滑環室,由于此處磁場較強,磁開關受磁場力的作用又再一次動作。因此,可以'斷定磁開關的誤動作由外部磁場干擾引起。進一步分析可知,勵磁電流屬于直流電流,所感應出的磁場屬于低頻磁場
磁開關內部裝有鐵質的彈性簧片,在低頻磁場中,鐵質簧片被磁化,從而使彈性簧片吸合導通,而油位計內部磁翻板未達到磁開關動作值的位置,所以監控誤報油位異常信號。當機組停機時,勵磁電纜中電流消失,但此時磁開關誤動作信號并未復歸,下面將通過磁滯回線的概念來解釋此現象。
從圖2 (強磁物質磁滯回線)分析得出,當勵磁電纜中通過電流時,在周圍感應出磁場,磁開關中的鐵質簧片被磁化,一定時間后達到飽和狀態。機組停機后,勵磁電纜中電流消失,周圍磁場開始減弱,磁開關中的鐵質簧片也開始退磁,如圖2可看出,當周圍磁場減小到0時,磁滯回線中因為矯頑力的存在,鐵質簧片的磁性并沒有完全消失,所以磁開關誤動作的信號不會復歸。此時需要在磁開關附近用永久磁鐵產生一個與原磁場方向相反的磁場,使矯頑力相互抵消,鐵質簧片中的磁性消失,磁開關誤動作信號復歸。
4.屏蔽外部磁場的處理措施
4.1磁場屏蔽原理介紹
磁場由磁體產生,由磁體的N極指向S極,在磁體的外部形成閉合的形式,距離轄射源越近,磁場強度越強。磁場的屏蔽的原理是利用磁性屏蔽材料,改變磁場的方向,由于磁場通過低磁阻的通路被旁路掉,因此可保證被屏蔽的物體不受磁場的干擾影響。磁場屏蔽分為靜磁屏蔽和電磁屏蔽。
靜磁場是穩恒電流或永久磁體產生的磁場,靜磁屏蔽是利用高磁導率M的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場,靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來說明,如將鐵磁材料做成截面如圖2的回路,則在外磁場中,絕大部分磁場集中在鐵磁回路中。這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯磁路來分析。因為鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大幾千倍,所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多,外磁場的磁感應線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內通過,而進入空腔的磁通量極少。這樣,被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有外磁場,從而達到靜磁屏蔽的目的。
電磁場在導電介質中傳播時,其場量(E和H)的振幅隨距離的增加而按指數規律衰減。從能量的觀點看,電磁波在導電介質中傳播時有能量損耗,因此,表現為場量振幅的減小。導體表面的場量最大,愈深入導體內部,場量愈小。這種現象也稱為趨膚效應。利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而做成電磁屏蔽裝置。電磁屏蔽是抑制干擾,增強設備的可靠性及提髙產品質量的有效手段。合理地使用電磁屏蔽,可以抑制外來高頻電磁波的干擾,也可以避免作為干擾源去影響其他設備。
4.2磁場屏蔽材料選取
磁性屏蔽材料的磁導率與外界的磁場強度有關,外界磁場強度不同,磁性材料的磁導率也不同,飽和通量密度也不同,因此,在磁場的屏蔽設計中的作用也不同。當屏蔽低頻磁場時,選擇磁鋼、坡莫合金、鐵等導磁率高的材料,而屏蔽高頻磁場則應選擇銅鋁等導電率高的材料。
4.3處理措施
從以上分析可知,水輪發電機組各軸承油盆磁翻板油位計所受的干擾屬于低頻磁場干擾,屏蔽應選用高磁導率材料,由于條件限制,我們選用了厚度為5mm鐵板作為屏蔽材料,且在設計時,盡可能的少留孔洞及縫隙,避免增加磁屏蔽體的磁阻,從而降低屏蔽效果,開機起勵后進行驗證,上導軸承油槽油位異常信號未再報出。
5.結論
低頻磁場的干擾是引起某水電站水輪發電機組上導軸承油槽磁翻板液位計磁開關誤動作的重要因素,經過多次實驗分析,得到以下結論:
1)屏蔽低頻磁場的材料應選用高磁導率材料的磁翻板液位計;
2)磁場強度較大時,應增加磁屏蔽材料的厚度;
3)盡可能的減少屏蔽體的接縫和孔洞,避免增加磁屏蔽體的磁阻,降低屏蔽效果。縫隙、孔洞盡量沿磁場方向分布。
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