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）

汽輪發電機組的振動是機組安全與經濟運行的重要指標，高參數、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電機組跳閘保護參數。目前浙江省內各電廠使用的汽輪發電機組振動監測設備多為美國本特利、瑞士VB-600和德國菲力浦的產品，少數使用日本產品，風機則部份使用了國內產品。多數振動傳感器的計量檢定結果性能比較穩定，投入運行后能正確反映機組的振動變化，但有少數性能不穩定，或因校驗、安裝、使用不當導致運行中發生異常，影響機組正常運行，甚至導致機組跳閘。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

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電動勢將機械振動轉換成電信號輸出的換能裝置，即在傳感器線性范圍內其電壓輸出與機組振動速度成正比，適用于測量汽輪發電機組軸承蓋上的軸瓦或機殼振動。

機械振動根據振動的規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學關系，其運動規律為：

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。為確認振動監測系統是否正常運行，應對傳感器的靈敏度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，電力系統常選用慣性式磁電傳感器，其基本結構由彈簧支架、測量線圈、永久磁鋼、外殼和輸出引線端等部分構成，圖1為結構示意圖。

圖1 磁電式速度傳感器結構示意圖

1.2 工作原理

傳感器由永久磁鋼產生恒定的直流磁場，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生感應電動勢，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，現場安裝時應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），產品系列號不同，出廠靈敏度也不同。德國申克公司生產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）。部份風機上使用的國內產品有∶無錫厚德自動化儀表有限公司生產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的磁電式速度傳感器，出廠靈敏度每批次均不相同，無產品系列號說明，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

現場安裝和檢修維護中的不規范行為或對細節的忽視，都可能對振動監測系統的可靠運行產生影響。

（1）某電廠振動監測系統工作不正常，檢查發現現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的磁電式速度傳感器，損壞后購買新傳感器時未注意產品系列號，使新傳感器接頭連接方式與原設計不匹配，影響在線振動監控系統正常工作。

（3）現場安裝傳感器時應保證其敏感軸與正弦激振方向垂直度偏差在±5°以內，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場側應絕緣浮空,電纜宜采用二芯屏蔽電纜，屏蔽層在汽機現場側應絕緣浮空，電纜屏蔽層應直接延伸到機架，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，應在620 Ω左右。

在機組正常工作且汽機監視儀表（TSI）系統處于正常工作狀態時，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）， 假設該通道顯示的振幅峰峰值AP-P為100 μm。根據公式（2）計算出機組的振動速度Vp應為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應為218.84 mV。

傳感器參考點靈敏度的偏差一般為±5%，頻率響應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%時應引起注意，靈敏度偏離較大時應及時更換傳感器，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，應采取應急措施，如降低報警設定值，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，振動傳感器應由具有檢定資質的機構檢驗合格。送檢時，須對傳感器進行保護處理，以免造成探頭損壞。

現場安裝時，傳感器應配套使用，錯用會引起較大測量偏差。如某電廠一次風機振動測量發現存在較大偏差，經查是誤將引風機的振動傳感器安裝在了一次風機上。一次風機正常工作且TSI系統處于正常工作狀態時，記錄振幅峰峰值為100 μm，根據公式（2）計算出的一次風機振動速度應為7.76 mm/s，一次風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公司生產的磁電式速度傳感器，由于產品系列號不同，出廠靈敏度也不相同，因此選擇不當會產生測量誤差。選擇使用或訂購備品時應認真閱讀產品使用說明書和傳感器的產品系列號說明。

（4）送檢的磁電式速度傳感器常有電纜絕緣層開裂現象，原因是就地電纜因環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，導致絕緣下降或多點接地。多點接地在不同的地網間會產生電勢差，在屏蔽層產生環流，疊加在信號上會引起模擬量波動或突變，對測量系統產生干擾。因此測量回路中的電纜老化問題不容忽視，應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機組汽輪機轉速信號跳變，分別引起機組跳閘，經查都是連接電纜安裝敷設時未做好防護，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象，原因也是就地電纜因環境溫度高而老化引起。

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

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

（6）發現信號異變或運行中信號記錄曲線有異常時，應及時檢查與處理，并將曲線歸檔保存。

3 結語

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。為保證機組安全、穩定運行，應對TSI系統定期自查、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系統能正常工作。

[1]嚴可國.大型旋轉機械監測保護故障診斷系統[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.汽輪機監視儀表可靠性分析與改進措施[J].中國電力，2007，40（11）∶85-88.