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(fā)電機組,發(fā)電機為立軸半傘式,發(fā)電機上導(dǎo)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(guān)量信號送至監(jiān)控系統(tǒng),磁開關(guān)是磁翻板液位計判斷油位是否正常的重要開關(guān)量信號,外部磁場引起磁翻板液位計磁開關(guān)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(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。因此,如何有效地消除外部磁場對磁開關(guān)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(guān)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(jié)不同的磁場干擾源與磁場屏蔽材料的關(guān)系。結(jié)果表明,對低頻磁場,可用高導(dǎo)磁材料做屏蔽體來實現(xiàn)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(guān)的處理措施。
2.磁翻板液位計原理介紹
磁翻板液位計根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用而成。當(dāng)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(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器,驅(qū)動紅、白翻柱翻轉(zhuǎn)180°,當(dāng)液位上升時翻柱由白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色,當(dāng)液位下降時翻柱由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?指示器的紅白交界處為容器內(nèi)部液位的實際高度,從而實現(xiàn)液位清晰的指示。控制型液位計在磁翻板液位計的基礎(chǔ)上增加了磁開關(guān),在監(jiān)測液位的同時磁開關(guān)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(chǔ)上增加4~20mA變送傳感器,在現(xiàn)場監(jiān)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(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。磁開關(guān)是一種有觸點的無源電子開關(guān)元件,裝有兩個鐵質(zhì)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(dāng)有磁性物質(zhì)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(guān)是一種利用磁場信號來控制的開關(guān)器件。
3.磁開關(guān)誤動作原因分析
分析某水電站監(jiān)控故障信息一覽表,發(fā)現(xiàn)磁開關(guān)誤動時間與勵磁系統(tǒng)起勵時間一致,而磁開關(guān)安裝位置正好處在勵磁電纜下方,初步斷定磁開關(guān)誤動作由勵磁電流產(chǎn)生的磁場干擾引起。發(fā)現(xiàn)該問題后,將磁開關(guān)靠近運行中的發(fā)電機滑環(huán)室,由于此處磁場較強,磁開關(guān)受磁場力的作用又再一次動作。因此,可以'斷定磁開關(guān)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(yīng)出的磁場屬于低頻磁場
磁開關(guān)內(nèi)部裝有鐵質(zhì)的彈性簧片,在低頻磁場中,鐵質(zhì)簧片被磁化,從而使彈性簧片吸合導(dǎo)通,而油位計內(nèi)部磁翻板未達到磁開關(guān)動作值的位置,所以監(jiān)控誤報油位異常信號。當(dāng)機組停機時,勵磁電纜中電流消失,但此時磁開關(guān)誤動作信號并未復(fù)歸,下面將通過磁滯回線的概念來解釋此現(xiàn)象。
從圖2 (強磁物質(zhì)磁滯回線)分析得出,當(dāng)勵磁電纜中通過電流時,在周圍感應(yīng)出磁場,磁開關(guān)中的鐵質(zhì)簧片被磁化,一定時間后達到飽和狀態(tài)。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(guān)中的鐵質(zhì)簧片也開始退磁,如圖2可看出,當(dāng)周圍磁場減小到0時,磁滯回線中因為矯頑力的存在,鐵質(zhì)簧片的磁性并沒有完全消失,所以磁開關(guān)誤動作的信號不會復(fù)歸。此時需要在磁開關(guān)附近用永久磁鐵產(chǎn)生一個與原磁場方向相反的磁場,使矯頑力相互抵消,鐵質(zhì)簧片中的磁性消失,磁開關(guān)誤動作信號復(fù)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(chǎn)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(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場,靜磁屏蔽是利用高磁導(dǎo)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(lián)磁路來分析。因為鐵磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)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(yīng)線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)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(dǎo)電介質(zhì)中傳播時,其場量(E和H)的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減。從能量的觀點看,電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時有能量損耗,因此,表現(xiàn)為場量振幅的減小。導(dǎo)體表面的場量最大,愈深入導(dǎo)體內(nèi)部,場量愈小。這種現(xiàn)象也稱為趨膚效應(yīng)。利用趨膚效應(yīng)可以阻止高頻電磁波透入良導(dǎo)體而做成電磁屏蔽裝置。電磁屏蔽是抑制干擾,增強設(shè)備的可靠性及提髙產(chǎn)品質(zhì)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(shè)備。
4.2磁場屏蔽材料選取
磁性屏蔽材料的磁導(dǎo)率與外界的磁場強度有關(guān),外界磁場強度不同,磁性材料的磁導(dǎo)率也不同,飽和通量密度也不同,因此,在磁場的屏蔽設(shè)計中的作用也不同。當(dāng)屏蔽低頻磁場時,選擇磁鋼、坡莫合金、鐵等導(dǎo)磁率高的材料,而屏蔽高頻磁場則應(yīng)選擇銅鋁等導(dǎo)電率高的材料。
4.3處理措施
從以上分析可知,水輪發(fā)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(yīng)選用高磁導(dǎo)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(shè)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(dǎo)軸承油槽油位異常信號未再報出。
5.結(jié)論
低頻磁場的干擾是引起某水電站水輪發(fā)電機組上導(dǎo)軸承油槽磁翻板液位計磁開關(guān)誤動作的重要因素,經(jīng)過多次實驗分析,得到以下結(jié)論:
1)屏蔽低頻磁場的材料應(yīng)選用高磁導(dǎo)率材料的磁翻板液位計;
2)磁場強度較大時,應(yīng)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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