各類傳感器在水力發(fā)電廠中的應(yīng)用

1　引言

黃河小浪底水利樞紐位于黃河中游最后一段峽谷的出口，是承上啟下、控制黃河水沙的關(guān)鍵樞紐。黃河小浪底水電廠總裝機容量6＊300MW，是河南電 網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻和事故備用的主力發(fā)電廠。小浪底電廠是國家一流水力發(fā)電廠，充分應(yīng)用了尖端的自動化產(chǎn)品。在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，需要要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，因此優(yōu)良的傳感器是現(xiàn)代化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

2　傳感器簡介

傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，其輸入信號（被測量）往往是非電量，輸出信號常常為易于處 理的電量，比如電壓或電流。

傳感器種類很多，分類標準不一樣，叫法也不一樣，常見的有電阻傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、溫度傳感器、壓電式傳感器、霍爾傳感器、熱電 偶傳感器、光電傳感器、數(shù)字式位置傳感器等。在水電廠應(yīng)用的傳感器主要有電流傳感器、電壓傳感器、光電編碼器、壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、流量 傳感器等，主要用來檢測位置、直線位移、壓力、溫度、流量等。

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3　電廠對傳感器的要求

現(xiàn)代化大型水電廠一般具有“無人值班，少人值守”的要求，為提高整體效率和設(shè)備工作的可靠性，對傳感器就有很高的要求：

（1）可靠性高、有很強的抗干擾能力；

（2）滿足精度和速度的要求；

（3）使用和維護方便，適合電廠的特殊環(huán)境；

（4）成本低。

4　溫度的檢測

溫度傳感器是一種將溫度高低轉(zhuǎn)變成電阻值大小或其他電信號的裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導(dǎo)體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電 偶傳感器等。

PT100鉑熱電阻在小浪底水電廠得到了廣泛的應(yīng)用，溫度傳感器不僅用來檢測水輪發(fā)電機組的上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承的溫度以及四部導(dǎo)軸承油槽 中的油溫，還主要測量發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的溫度以及用來冷卻它們的空氣冷卻器中水的溫度。

在實際的工作中，由于水輪發(fā)電機組的四部導(dǎo)軸承環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)鉑電阻導(dǎo)線斷裂的情況，因此需要對鉑電阻的根部導(dǎo)線進行特殊的防護，以防止發(fā)電機組在轉(zhuǎn) 動過程中，油槽中的雜質(zhì)對其進行不斷的沖擊。此外，盤柜的安裝位置與傳感器位置有相當(dāng)?shù)木嚯x，為防止導(dǎo)線引起測量誤差需要采用三線制接法。

5　壓力的檢測

壓力傳感器是一種將壓力信號轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器。根據(jù)工作原理，可分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器和電容式傳感器。它是檢測氣體、液體、固體等 所有物質(zhì)間作用力能量的總稱，也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓的真空計。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和2個電極間的距離決定， 因靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、壓力量程大等特點近來得到了迅速發(fā)展。在小浪底水電廠中，壓力傳感器主要用來檢測壓力氣罐和壓力油罐的壓力以及集水井中用來檢 測水位的壓力。此時，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成4-20mA的電信號，用以計算出相應(yīng)的壓力信號或是水位信號。

無論在空壓機控制系統(tǒng)或油壓裝置控制系統(tǒng)中，或是在電廠檢修或滲漏排水控制系統(tǒng)中，都需要安裝相互備用的2套壓力傳感器甚至3套傳感器，主要是能 夠安全地檢測到被測量，防止由于壓力氣罐和壓力油罐的壓力大幅降低出現(xiàn)機組事故停機，也防止由于集水井中的水位過高，不能及時排出廠房的滲漏水出現(xiàn)水淹廠 房。

小浪底電廠還配備了一些壓力開關(guān)，當(dāng)壓力大于或是低于某一設(shè)定值時，觸點就會動作，將信號發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。

在實際的應(yīng)用中，壓力傳感器的零點容易發(fā)生漂移，因此需要定期進行校驗。此外，傳感器長時間的使用容易出現(xiàn)疲勞造成測量信號的不準確，需要定期更換。

6　速度的檢測

速度傳感器是一種將速度信號轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器，既可以檢測直線速度，也可以檢測角速度，常用的有測速發(fā)電機和脈沖編碼器以及齒盤測速等。

在小浪底水電廠中，采用齒盤來測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。齒盤安裝在發(fā)電機延伸軸的法蘭上，速度信號直接從水輪機的轉(zhuǎn)動軸上獲取，是一種理想的速度輸入信 號。齒盤速度信號不受發(fā)電機殘壓的限制，也不受非周期雜波的干擾，比PT信號具有更高的可靠性，另外，齒盤測速裝置還具有高可靠的零轉(zhuǎn)速（蠕動）檢測功 能。小浪底電廠齒盤齒數(shù)為56齒，額定轉(zhuǎn)速為107.1RPM，探頭脈沖頻率為100Hz，產(chǎn)生的脈沖信號直接輸入到速度傳感器模塊。

但齒盤測速也有其缺點，一是增加了硬件的成本和軟件的復(fù)雜性；二是由于加工精度的局限性，齒盤上齒與齒之間的距離不可能完全相等，或者說齒距不可 能完全均勻。對于高靈敏度的速度傳感器，它是通過掃描齒與齒之間的時間來計算速度的，即使機組實際轉(zhuǎn)速沒變，齒與齒之間不同的間隔就會反應(yīng)出速度的變化， 從而產(chǎn)生干擾信號；三是接近開關(guān)碰撞容易損壞。

7　流量的檢測

流量傳感器是一種將流量信號轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器。常用的主要是電磁流量計和流量開關(guān)。

電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。電磁流量計的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞適用 于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，它不產(chǎn)生因檢測流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是同一長度管道的沿程阻力，對于要求低阻力損失的大管徑供水 管道最為適合。所測得的體積流量，不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率（只要在某閾值以上）變化明顯的影響。

小浪底電廠技術(shù)供水系統(tǒng)中在檢測上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承冷卻水管道的流量上應(yīng)用了大量的電磁流量計，將檢測到的流量信號轉(zhuǎn)變成4-20mA的 電信號，以計算出相應(yīng)的水的流量。但流量計在安裝上有一定的要求，此外不能測量電導(dǎo)率很低的液體，如油的流量。

小浪底電廠還配備了一些流量開關(guān)，當(dāng)流量大于或是低于某一設(shè)定值時，觸點就會動作，并將信號發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。

8　油混水的檢測

油混水傳感器是一種用于測定油混水或油積水的電容式傳感器。用于檢測水輪發(fā)電機組自動化控制油系統(tǒng)中混入回油箱或漏油箱內(nèi)水的含量，還可廣泛作為 油箱中油混水或油積水的檢測。

油混水傳感器置入被測介質(zhì)中，當(dāng)油中混入水后，介質(zhì)值發(fā)生變化，傳感器輸出相應(yīng)電信號。傳感器送出的信號進行處理后，油中0-100％含水率轉(zhuǎn)化 成相對應(yīng)4-20mA輸出。

油混水傳感器安裝在小浪底水電廠上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承四部導(dǎo)軸承的油槽中用以檢測油槽中水的含量，防止出現(xiàn)水淹水導(dǎo)或是油槽中用來冷卻油的 水管發(fā)生破裂。但在實際的應(yīng)用中，油混水的精度需要進一部提高，誤報警時有發(fā)生。

9　發(fā)電機擺度和振動的檢測

電渦流傳感器用來檢測水輪發(fā)電機組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、大軸的擺度，它實際上是一種位移傳感器，依靠探頭線圈產(chǎn)生的高頻電磁場在被測表面感應(yīng)出電渦 流和由此引起的線圈阻抗的變化來反映探頭與被測表面的距離。

檢測水輪發(fā)電機組的上機架、下機架、定子鐵芯、定子機座以及頂蓋和尾水管振動的傳感器是一種速度傳感器。常用的速度傳感器為具有彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的 磁電式傳感器，它測量是被測物相對于地面的絕對運動。

振動和擺度的測量在小浪底水電廠中得到充分的應(yīng)用，測量擺度有被測物X方向和Y方向，測量振動有被測物軸向和徑向振動。通過采集水輪發(fā)電機組擺度 和振動的數(shù)據(jù)可以檢測頂蓋和尾水管中的壓力脈動、機組轉(zhuǎn)動部分的機械不平衡度以及轉(zhuǎn)子中心與機組中心是否偏移而引起電磁力不平衡等，從而機組在轉(zhuǎn)動過程中 的健康狀態(tài)通過振動和擺度的測量得到充分的體現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在振動、擺度的檢測是水電廠狀態(tài)檢修中重要組成部分。通過機組的狀態(tài)檢修大大提高 了機組的使用效率。

10　位移的檢測

測量位移的傳感器主要有脈沖編碼器和磁致位移傳感器。

脈沖編碼器是一種角位移傳感器，能夠把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。在小浪底電廠中，編碼器應(yīng)用于進水口閘門、尾水防淤閘門位移的檢測。

小浪底筒閥位移的測量采用了磁致位移傳感器。由于筒閥安裝環(huán)境惡劣、同時要求較高的精度，因此采用磁致位移傳感器。磁致位移傳感器在工作時，由電 子倉內(nèi)電子電路產(chǎn)生一起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸，同時產(chǎn)生一沿波導(dǎo)絲方向前進的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)這個磁場與磁環(huán)或浮球中的永久磁場相遇時，產(chǎn)生磁致 伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動，這一扭動被安裝在電子倉內(nèi)的拾能機構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過電子電路計算出兩個脈沖之間的時間差，即可精確測出 被測的位移和液位。

磁致位移傳感器的輸出信號是一個真正的絕對位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況，因此不必像其它液位 傳感器一樣需要定期重標和維護。但磁致位移傳感器需要一定的硬件和軟件支持。

11　位置的檢測

位置傳感器用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關(guān)。常見的位置傳感器主要有水浮子開關(guān)、磁浮子液位計、行程開關(guān)等。

水浮子開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單，使用安裝方便的液位控制器。在小浪底頂蓋排水控制回路中得到了應(yīng)用。當(dāng)水位高于浮子的安裝位置時，浮子翻轉(zhuǎn)，接點就會 動作，將信號發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。但在實際應(yīng)用中，經(jīng)常由于浮子的密封度不好進水，導(dǎo)致接點不能正常動作或是動作后不能返回。

小浪底電廠壓油罐油位的測量采用磁浮子液位計，它是以浮球為測量元件，通過連桿上的磁剛將液位變化進行傳送。液位計配有液位報警器和液位遠傳裝 置。液位報警器可實現(xiàn)液位的上、下極限報警及限位控制。液位遠傳裝置可將液位變化轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號，由于采用不銹剛等防腐材料，應(yīng)用于腐蝕、有 毒、易燃等場合。

行程開關(guān)是一種接觸式位置傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當(dāng)某個物體在運動過程中，碰到行程開關(guān)時，其內(nèi)部接點就會動作從而完成控制。 在小浪底水電廠中，發(fā)電機風(fēng)閘位置、水輪機導(dǎo)葉鎖錠位置均采用了行程開關(guān)。在實際應(yīng)用中，行程開關(guān)由于不斷地受到外力的作用，其整體就會發(fā)生位移從而不能 正確地反應(yīng)物體的位置，這點要引起注意。

12　大電流、高電壓的檢測

電壓互感器PT和電流互感器CT主要是將一次系統(tǒng)的高電壓和大電流按比例變換成低電壓和小電流，供給測量儀表和保護裝置使用。執(zhí)行這些變換任務(wù)的 設(shè)備，最常見的就是我們通常所說的互感器。進行電壓轉(zhuǎn)換的是電壓互感器而進行電流轉(zhuǎn)換的互感器為電流互感器。

小浪底電廠中的電壓互感器PT，主要是將220KV，35KV，10KV等高電壓轉(zhuǎn)換為100V；發(fā)電機機端采用變比為15000A/1A的電流 互感器。

值得注意的是嚴禁將電流互感器二次側(cè)開路以及嚴禁在電壓互感器二次側(cè)短路或接地。

電壓互感器和電流互感器都應(yīng)用于交流回路。此外，還有將直流大電流轉(zhuǎn)換為毫伏級別的分流器。

13　結(jié)束語

以上介紹的傳感器在小浪底水電廠中的應(yīng)用是目前的狀況，但隨著傳感器的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，更多更好的傳感器將不斷出現(xiàn)，從而使電廠的自動 化水平得到進一步的提高。