磁翻板液位计磁开关磁化干扰误动作原因分析

1、引言：
　　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,***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***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。
上下限开关输出磁翻板液位计是基本型与报警开关两部分的组合的可实现液位报警及控制功能。带报警磁翻板液位计开关的直观、醒目、价比高、耐温、耐压、防腐、防爆的特点,带报警开关型磁翻板液位计开关使其广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保等行业生产过程中的液位测量及自动化控制。
     上下限开关输出磁翻板液位计的一种远传方式就是配报警开关，江苏翔腾仪表有限公司生产的液位控制开关由干簧管及电路模块组成，结构紧凑、坚固耐用。按用途它可分为BJ-5型普通液位控制开关，BJB-25型带保持（记忆）型液位控制开关和GBJB-25型高温带保持（记忆）型控制开关。该液位控制开关以捆绑的形式固定在UHZ型磁翻板液位计的外侧，使其处于液位计同一磁场系统中，当磁性浮子随液位上下移动时，对应液位位置的干簧管受浮子内磁场的作用吸合，通过转换模块将变化的信号转换成无源开关信号输出，若是BJB-25型或GBJB-25型还能将引信号保持，直到返回感应信号到达时才释放，因此可方便地与各类仪表配套使用，从而达到控制及报警的目的。每个磁翻板液位计配多个报警开关。
上下限开关输出磁翻板液位计开关的参数
     液位控制开关由干簧管及电路模块组成，结构紧凑、坚固耐用。按用途它可分为普通液位控制开关，带保持（记忆）型液位控制开关和高温带保持（记忆）型控制开关。该液位控制开关以捆绑的形式固定在XT-UHZ型磁翻板液位计开关的外侧，使其处于液位计同一磁场系统中，当磁性浮子随液位上下移动时，对应液位位置的干簧管受浮子内磁场的作用吸合，通过转换模块将变化的信号转换成无源开关信号输出，因此可方便地与各类仪表配套使用，从而达到控制及报警的目的。每个磁翻板液位计配多个报警开关。
上下限开关输出磁翻板液位计选型表

控制报警开关
输出型式：常开常闭开关信号
报警精度：+10mm
环境温度：-40~80℃
工作寿命：≥105次
出线接口：M20*1.5或内螺纹3/4″
报警开关技术参数
型号：普通型：常开触点：KO               常闭触点：KC
      隔爆型：常开触点：FBKO-Ex          常闭触点：FBKC-Ex 触点容量：220VAC，1A 防护等级：IP65 防爆等级：kIIBT4
电缆接口:普通防水型:Pg11
         防爆型:M20x1.5内螺纹 开关特性:记忆开关
1、报警开关外尺寸图：

2、报警开关接线图：

上下限开关输出磁翻板液位计适用范围
    UHZ-50/D型磁性浮球液位计是以浮球组件为测量元件，通过液体浮力作用，使浮球上下移动，带动顶杆上端的磁钢上下变化，经磁性耦合作用，使显示器组件的磁性翻柱翻转达到跟踪液体液位变化，故显示醒目，读数直观，因显示器组件与被测介质完全隔离，故使用安全可靠。该液位计适于各种地下槽池等容器，以及不宜侧面开孔的容器的液位显示，如配上配套仪表可用于远传检测，以实现自动控制功能。
液位计UHZ-50/D工作原理
    根据浮力原理和磁性耦合原理而制成。当被容器内的液位上下变化时带动浮球，并通过与之相连的连杆上端的磁钢上下移动，经磁性耦合而使显示器中的翻柱翻转。当液位上升翻柱由白色转为红色。当液位下降时翻柱由红色转为白色，红白界位处就为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位自动跟踪显示。
安装使用和维护
    1、液位计护导管和主体管安装必须垂直，以保证浮球组件在主体管内能上下运动自如
    2、连杆不能弯曲必须垂直插入
    3、安装完毕后，需对显示器的翻柱用磁钢引导一次使零位以上显示为白色，零位以下显示红色
    4、液位计安装完毕后，需要用磁钢进行校正，对翻柱导引一次使零位以下显示红色，零位以上显示白色。
    5、安装结构形式如图所示

配套仪表及附件内容
O	盲板法兰，不配排污阀
L	液位计底部配排污阀
	O	无液位报警开关
	H	高位报警开关AK-3型，有记忆功能，故障不排除，信号不消除
	L	低位报警开关AK-4型，有记忆功能，故障不排除，信号不消除
	B	高位、低位报警开关全配，有记忆功能AK-3型和AK-4型
	G	高位报警开关，区域型报警AK-1型									附DF-1型转换言放大器壹台 PF113A插座壹只 XTX-012-22F大功率继电器（单点：壹只，双点贰只）PF083A插座
	D	低位报警开关，区域型报警AK-1型
	Q	高位、低位报警开关全配，区域型报警AK-1型贰台
	S	高位和低位一体化型报警开关，区域型报警AK-2型
		O	无液位控制开关
		H	上限控制开关，单点干簧CK-1型
		L	下限控制开关，单点干簧CK-1型
		B	上限、下限控制开关全配，单点干簧CK-1型贰付
		W	上限、下限控制开关一体化，双点干簧CK-2型
		T	上限控制开关，霍尔型传感器CK-3型
		L	下限控制开关，霍尔型传感器CK-4型
		E	上限、下限控制开关全配，霍尔型传感器CK-3型贰付
		C	上限、下限控制开关一体化，霍尔型传感器CK-4型
			O	无远传变送器装置
			R	配LB型捆绑式变送器，输出二线制4-20mADC
			S	静压式远传变送器，（URS-100）输出二线制4-20mADC
				O	普通防水型
				B	本质安全型ibⅡCT4，可配齐纳安全栅或IS4041-Ex隔离栅
				Bd	隔爆型dⅡCT4
					O	不配远传显示仪表
					A	数字、光柱显示调节报警仪 XGTH-510（竖式）
					B	数字、光柱显示调节报警仪 XGTA-810（横式）
					C	数字显示调节报警仪 XMTA-810（横式）
					E	双光柱液位显示仪 XGH-202（竖式）
					D	智能型液位/容量（重量）显示调节仪XMT-620（横式）
						-□□□□	测量范围(mm)
							-□□	介质密度(g/cm3)
								–	D	开口常压容器
									□	工作压力(MPa)

上下限开关输出磁翻板液位计选型图谱

XT-UHZ系列磁翻板液位计
	1 侧装式 2 顶装式							安装方式
		1 PP 2 PVC 3 不锈钢304 4 不锈钢316L 5 不锈钢衬四氟 6 其他						主体材质
			1 0.6MPa 2 1.6MPa 3 2.5MPa 4 4.0Mpa					公称压力
				1 基本型 2 带上下限开关输出 3 带电远传（0～10mA输出，220V，AC） 4 带电远传（4～20mA输出，24V，DC） 5 带本安防爆型（4～20mA，24V，DC） 6 带本安防爆型上下限开关输出				类型
					L 安装间距（测量范围）
						L1 安装深度（顶装式（0～4000mm任选）
							介质密度ρ（g/c）
XT-UHZ-	2	2	1	1	L=2500mm	L1=3000mm	ρ=0.8g/c	举例

上下限开关输出
在液位计立管上由用户设定上、下限位置安装控制器，控制器内带有自保持作用的舌簧开关，利用磁性浮子随液位移动使簧片开关动作时，实现磁翻板液位计报警或限位控制。

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。