小浪底水電廠中各類傳感器的應(yīng)用
1 引言
黃河小浪底水利樞紐位于黃河中游zui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(jī)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(guó)家*水力發(fā)電廠，充分應(yīng)用了的自動(dòng)化產(chǎn)品。在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，需要要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或*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(jiǎn)介 
傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，其輸入信號(hào)（被測(cè)量）往往是非電量，輸出信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)不一樣，叫法也不一樣，常見(jiàn)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(lái)檢測(cè)位置、直線位移、壓力、溫度、流量等。
3 電廠對(duì)傳感器的要求 
現(xiàn)代化大型水電廠一般具有“無(wú)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(duì)傳感器就有很高的要求：
（1）可靠性高、有很強(qiáng)的抗干擾能力；
（2）滿足精度和速度的要求；
（3）使用和維護(hù)方便，適合電廠的特殊環(huán)境；
（4）成本低。
4 溫度的檢測(cè) 
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(hào)的裝置。常見(jiàn)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(lái)檢測(cè)水輪發(fā)電機(jī)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(cè)量發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫度以及用來(lái)冷卻它們的空氣冷卻器中水的溫度。 
在實(shí)際的工作中，由于水輪發(fā)電機(jī)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(duì)鉑電阻的根部導(dǎo)線進(jìn)行特殊的防護(hù)，以防止發(fā)電機(jī)組在轉(zhuǎn) 動(dòng)過(guò)程中，油槽中的雜質(zhì)對(duì)其進(jìn)行不斷的沖擊。此外，盤(pán)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(cè)量誤差需要采用三線制接法。
5 壓力的檢測(cè) 
壓力傳感器是一種將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)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(cè)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(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和2個(gè)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(diǎn)近來(lái)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(lái)檢測(cè)壓力氣罐和壓力油罐的壓力以及集水井中用來(lái)檢 測(cè)水位的壓力。此時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA的電信號(hào)，用以計(jì)算出相應(yīng)的壓力信號(hào)或是水位信號(hào)。
無(wú)論在空壓機(jī)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(cè)到被測(cè)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(jī)組事故停機(jī)，也防止由于集水井中的水位過(guò)高，不能及時(shí)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(kāi)關(guān)，當(dāng)壓力大于或是低于某一設(shè)定值時(shí)，觸點(diǎn)就會(huì)動(dòng)作，將信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。
在實(shí)際的應(yīng)用中，壓力傳感器的零點(diǎn)容易發(fā)生漂移，因此需要定期進(jìn)行校驗(yàn)。此外，傳感器長(zhǎng)時(shí)間的使用容易出現(xiàn)疲勞造成測(cè)量信號(hào)的不準(zhǔn)確，需要定期更換。
6 速度的檢測(cè) 
速度傳感器是一種將速度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的傳感器，既可以檢測(cè)直線速度，也可以檢測(cè)角速度，常用的有測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖編碼器以及齒盤(pán)測(cè)速等。
在小浪底水電廠中，采用齒盤(pán)來(lái)測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。齒盤(pán)安裝在發(fā)電機(jī)延伸軸的法蘭上，速度信號(hào)直接從水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上獲取，是一種理想的速度輸入信 號(hào)。齒盤(pán)速度信號(hào)不受發(fā)電機(jī)殘壓的限制，也不受非周期雜波的干擾，比PT信號(hào)具有更高的可靠性，另外，齒盤(pán)測(cè)速裝置還具有高可靠的零轉(zhuǎn)速（蠕動(dòng)）檢測(cè)功 能。小浪底電廠齒盤(pán)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(hào)直接輸入到速度傳感器模塊。
但齒盤(pán)測(cè)速也有其缺點(diǎn)，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(pán)上齒與齒之間的距離不可能*相等，或者說(shuō)齒距不可 能*均勻。對(duì)于高靈敏度的速度傳感器，它是通過(guò)掃描齒與齒之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算速度的，即使機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]變，齒與齒之間不同的間隔就會(huì)反應(yīng)出速度的變化， 從而產(chǎn)生干擾信號(hào)；三是接近開(kāi)關(guān)碰撞容易損壞。
7 流量的檢測(cè) 
流量傳感器是一種將流量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的傳感器。常用的主要是電磁流量計(jì)和流量開(kāi)關(guān)。
電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。電磁流量計(jì)的測(cè)量通道是一段無(wú)阻流檢測(cè)件的光滑直管，因不易阻塞適用 于測(cè)量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，它不產(chǎn)生因檢測(cè)流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是同一長(zhǎng)度管道的沿程阻力，對(duì)于要求低阻力損失的大管徑供水 管道zui為適合。所測(cè)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。

小浪底水電廠中各類傳感器的應(yīng)用
小浪底電廠技術(shù)供水系統(tǒng)中在檢測(cè)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(jì)，將檢測(cè)到的流量信號(hào)轉(zhuǎn)變成4-20mA的 電信號(hào)，以計(jì)算出相應(yīng)的水的流量。但流量計(jì)在安裝上有一定的要求，此外不能測(cè)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(kāi)關(guān)，當(dāng)流量大于或是低于某一設(shè)定值時(shí)，觸點(diǎn)就會(huì)動(dòng)作，并將信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。
8 油混水的檢測(cè) 
油混水傳感器是一種用于測(cè)定油混水或油積水的電容式傳感器。用于檢測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)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(cè)。
油混水傳感器置入被測(cè)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(hào)。傳感器送出的信號(hào)進(jìn)行處理后，油中0-100％含水率轉(zhuǎn)化 成相對(duì)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(cè)油槽中水的含量，防止出現(xiàn)水淹水導(dǎo)或是油槽中用來(lái)冷卻油的 水管發(fā)生破裂。但在實(shí)際的應(yīng)用中，油混水的精度需要進(jìn)一部提高，誤報(bào)警時(shí)有發(fā)生。
9 發(fā)電機(jī)擺度和振動(dòng)的檢測(cè) 
電渦流傳感器用來(lái)檢測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、大軸的擺度，它實(shí)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(chǎng)在被測(cè)表面感應(yīng)出電渦 流和由此引起的線圈阻抗的變化來(lái)反映探頭與被測(cè)表面的距離。
檢測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組的上機(jī)架、下機(jī)架、定子鐵芯、定子機(jī)座以及頂蓋和尾水管振動(dòng)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(cè)量是被測(cè)物相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。
振動(dòng)和擺度的測(cè)量在小浪底水電廠中得到充分的應(yīng)用，測(cè)量擺度有被測(cè)物X方向和Y方向，測(cè)量振動(dòng)有被測(cè)物軸向和徑向振動(dòng)。通過(guò)采集水輪發(fā)電機(jī)組擺度 和振動(dòng)的數(shù)據(jù)可以檢測(cè)頂蓋和尾水管中的壓力脈動(dòng)、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械不平衡度以及轉(zhuǎn)子中心與機(jī)組中心是否偏移而引起電磁力不平衡等，從而機(jī)組在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中 的健康狀態(tài)通過(guò)振動(dòng)和擺度的測(cè)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(dòng)、擺度的檢測(cè)是水電廠狀態(tài)檢修中重要組成部分。通過(guò)機(jī)組的狀態(tài)檢修大大提高 了機(jī)組的使用效率。
10 位移的檢測(cè) 
測(cè)量位移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(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。在小浪底電廠中，編碼器應(yīng)用于進(jìn)水口閘門(mén)、尾水防淤閘門(mén)位移的檢測(cè)。
小浪底筒閥位移的測(cè)量采用了磁致位移傳感器。由于筒閥安裝環(huán)境惡劣、同時(shí)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(shí)，由電 子倉(cāng)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(shí)產(chǎn)生一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)或浮球中的*磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致 伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過(guò)電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，即可測(cè)出 被測(cè)的位移和液位。
磁致位移傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)真正的位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)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(biāo)和維護(hù)。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(cè) 
位置傳感器用來(lái)檢測(cè)位置，反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)。常見(jiàn)的位置傳感器主要有水浮子開(kāi)關(guān)、磁浮子液位計(jì)、行程開(kāi)關(guān)等。
水浮子開(kāi)關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，浮子翻轉(zhuǎn)，接點(diǎn)就會(huì) 動(dòng)作，將信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。但在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常由于浮子的密封度不好進(jìn)水，導(dǎo)致接點(diǎn)不能正常動(dòng)作或是動(dòng)作后不能返回。
小浪底電廠壓油罐油位的測(cè)量采用磁浮子液位計(jì)，它是以浮球?yàn)闇y(cè)量元件，通過(guò)連桿上的磁剛將液位變化進(jìn)行傳送。液位計(jì)配有液位報(bào)警器和液位遠(yuǎn)傳裝 置。液位報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)液位的上、下極限報(bào)警及限位控制。液位遠(yuǎn)傳裝置可將液位變化轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)，由于采用不銹剛等防腐材料，應(yīng)用于腐蝕、有 毒、易燃等場(chǎng)合。
行程開(kāi)關(guān)是一種接觸式位置傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、價(jià)格低廉。當(dāng)某個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)，其內(nèi)部接點(diǎn)就會(huì)動(dòng)作從而完成控制。 在小浪底水電廠中，發(fā)電機(jī)風(fēng)閘位置、水輪機(jī)導(dǎo)葉鎖錠位置均采用了行程開(kāi)關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，行程開(kāi)關(guān)由于不斷地受到外力的作用，其整體就會(huì)發(fā)生位移從而不能 正確地反應(yīng)物體的位置，這點(diǎn)要引起注意。
12 大電流、高電壓的檢測(cè) 
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(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置使用。執(zhí)行這些變換任務(wù)的 設(shè)備，zui常見(jiàn)的就是我們通常所說(shuō)的互感器。進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的是電壓互感器而進(jìn)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(jī)機(jī)端采用變比為15000A/1A的電流 互感器。
值得注意的是嚴(yán)禁將電流互感器二次側(cè)開(kāi)路以及嚴(yán)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(jí)別的分流器。
13 結(jié)束語(yǔ) 
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(dòng) 化水平得到進(jìn)一步的提高。
小浪底水電廠中各類傳感器的應(yīng)用