各类传感器在水力发电厂中的应用

1　引言

黄河小浪底水利枢纽位于黄河中游最后一段峡谷的出口，是承上启下、控制黄河水沙的关键枢纽。黄河小浪底水电厂总装机容量6＊300MW，是河南电 网调峰调频和事故备用的主力发电厂。小浪底电厂是国家一流水力发电厂，充分应用了尖端的自动化产品。在现代自动化生产过程中，需要要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，因此优良的传感器是现代化生产的基础。

2　传感器简介

传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，其输入信号（被测量）往往是非电量，输出信号常常为易于处 理的电量，比如电压或电流。

传感器种类很多，分类标准不一样，叫法也不一样，常见的有电阻传感器、电感式传感器、电容式传感器、温度传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热电 偶传感器、光电传感器、数字式位置传感器等。在水电厂应用的传感器主要有电流传感器、电压传感器、光电编码器、压力传感器、液位传感器、温度传感器、流量 传感器等，主要用来检测位置、直线位移、压力、温度、流量等。

 

3　电厂对传感器的要求

现代化大型水电厂一般具有“无人值班，少人值守”的要求，为提高整体效率和设备工作的可靠性，对传感器就有很高的要求：

（1）可靠性高、有很强的抗干扰能力；

（2）满足精度和速度的要求；

（3）使用和维护方便，适合电厂的特殊环境；

（4）成本低。

4　温度的检测

温度传感器是一种将温度高低转变成电阻值大小或其他电信号的装置。常见的有以铂、铜为主的热电阻传感器、以半导体材料为主的热敏电阻传感器和热电 偶传感器等。

PT100铂热电阻在小浪底水电厂得到了广泛的应用，温度传感器不仅用来检测水轮发电机组的上导、推力、下导、水导轴承的温度以及四部导轴承油槽 中的油温，还主要测量发电机定子和转子的温度以及用来冷却它们的空气冷却器中水的温度。

在实际的工作中，由于水轮发电机组的四部导轴承环境恶劣，经常出现铂电阻导线断裂的情况，因此需要对铂电阻的根部导线进行特殊的防护，以防止发电机组在转 动过程中，油槽中的杂质对其进行不断的冲击。此外，盘柜的安装位置与传感器位置有相当的距离，为防止导线引起测量误差需要采用三线制接法。

5　压力的检测

压力传感器是一种将压力信号转变成电信号的传感器。根据工作原理，可分为压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。它是检测气体、液体、固体等 所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。电容式压力传感器的电容量是由电极面积和2个电极间的距离决定， 因灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。在小浪底水电厂中，压力传感器主要用来检测压力气罐和压力油罐的压力以及集水井中用来检 测水位的压力。此时，压力传感器将压力信号转换成4-20mA的电信号，用以计算出相应的压力信号或是水位信号。

无论在空压机控制系统或油压装置控制系统中，或是在电厂检修或渗漏排水控制系统中，都需要安装相互备用的2套压力传感器甚至3套传感器，主要是能 够安全地检测到被测量，防止由于压力气罐和压力油罐的压力大幅降低出现机组事故停机，也防止由于集水井中的水位过高，不能及时排出厂房的渗漏水出现水淹厂 房。

小浪底电厂还配备了一些压力开关，当压力大于或是低于某一设定值时，触点就会动作，将信号发送到相应的控制回路。

在实际的应用中，压力传感器的零点容易发生漂移，因此需要定期进行校验。此外，传感器长时间的使用容易出现疲劳造成测量信号的不准确，需要定期更换。

6　速度的检测

速度传感器是一种将速度信号转变成电信号的传感器，既可以检测直线速度，也可以检测角速度，常用的有测速发电机和脉冲编码器以及齿盘测速等。

在小浪底水电厂中，采用齿盘来测量发电机的转速。齿盘安装在发电机延伸轴的法兰上，速度信号直接从水轮机的转动轴上获取，是一种理想的速度输入信 号。齿盘速度信号不受发电机残压的限制，也不受非周期杂波的干扰，比PT信号具有更高的可靠性，另外，齿盘测速装置还具有高可靠的零转速（蠕动）检测功 能。小浪底电厂齿盘齿数为56齿，额定转速为107.1RPM，探头脉冲频率为100Hz，产生的脉冲信号直接输入到速度传感器模块。

但齿盘测速也有其缺点，一是增加了硬件的成本和软件的复杂性；二是由于加工精度的局限性，齿盘上齿与齿之间的距离不可能完全相等，或者说齿距不可 能完全均匀。对于高灵敏度的速度传感器，它是通过扫描齿与齿之间的时间来计算速度的，即使机组实际转速没变，齿与齿之间不同的间隔就会反应出速度的变化， 从而产生干扰信号；三是接近开关碰撞容易损坏。

7　流量的检测

流量传感器是一种将流量信号转变成电信号的传感器。常用的主要是电磁流量计和流量开关。

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用 于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，它不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，对于要求低阻力损失的大管径供水 管道最为适合。所测得的体积流量，不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明显的影响。

小浪底电厂技术供水系统中在检测上导、推力、下导、水导轴承冷却水管道的流量上应用了大量的电磁流量计，将检测到的流量信号转变成4-20mA的 电信号，以计算出相应的水的流量。但流量计在安装上有一定的要求，此外不能测量电导率很低的液体，如油的流量。

小浪底电厂还配备了一些流量开关，当流量大于或是低于某一设定值时，触点就会动作，并将信号发送到相应的控制回路。

8　油混水的检测

油混水传感器是一种用于测定油混水或油积水的电容式传感器。用于检测水轮发电机组自动化控制油系统中混入回油箱或漏油箱内水的含量，还可广泛作为 油箱中油混水或油积水的检测。

油混水传感器置入被测介质中，当油中混入水后，介质值发生变化，传感器输出相应电信号。传感器送出的信号进行处理后，油中0-100％含水率转化 成相对应4-20mA输出。

油混水传感器安装在小浪底水电厂上导、推力、下导、水导轴承四部导轴承的油槽中用以检测油槽中水的含量，防止出现水淹水导或是油槽中用来冷却油的 水管发生破裂。但在实际的应用中，油混水的精度需要进一部提高，误报警时有发生。

9　发电机摆度和振动的检测

电涡流传感器用来检测水轮发电机组上导、下导、水导、大轴的摆度，它实际上是一种位移传感器，依靠探头线圈产生的高频电磁场在被测表面感应出电涡 流和由此引起的线圈阻抗的变化来反映探头与被测表面的距离。

检测水轮发电机组的上机架、下机架、定子铁芯、定子机座以及顶盖和尾水管振动的传感器是一种速度传感器。常用的速度传感器为具有d簧-质量系统的 磁电式传感器，它测量是被测物相对于地面的绝对运动。

振动和摆度的测量在小浪底水电厂中得到充分的应用，测量摆度有被测物X方向和Y方向，测量振动有被测物轴向和径向振动。通过采集水轮发电机组摆度 和振动的数据可以检测顶盖和尾水管中的压力脉动、机组转动部分的机械不平衡度以及转子中心与机组中心是否偏移而引起电磁力不平衡等，从而机组在转动过程中 的健康状态通过振动和摆度的测量得到充分的体现。随着科学技术的发展，现在振动、摆度的检测是水电厂状态检修中重要组成部分。通过机组的状态检修大大提高 了机组的使用效率。

10　位移的检测

测量位移的传感器主要有脉冲编码器和磁致位移传感器。

脉冲编码器是一种角位移传感器，能够把机械转角变成电脉冲。在小浪底电厂中，编码器应用于进水口闸门、尾水防淤闸门位移的检测。

小浪底筒阀位移的测量采用了磁致位移传感器。由于筒阀安装环境恶劣、同时要求较高的精度，因此采用磁致位移传感器。磁致位移传感器在工作时，由电 子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输，同时产生一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致 伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出 被测的位移和液位。

磁致位移传感器的输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位 传感器一样需要定期重标和维护。但磁致位移传感器需要一定的硬件和软件支持。

11　位置的检测

位置传感器用来检测位置，反映某种状态的开关。常见的位置传感器主要有水浮子开关、磁浮子液位计、行程开关等。

水浮子开关是一种结构简单，使用安装方便的液位控制器。在小浪底顶盖排水控制回路中得到了应用。当水位高于浮子的安装位置时，浮子翻转，接点就会 动作，将信号发送到相应的控制回路。但在实际应用中，经常由于浮子的密封度不好进水，导致接点不能正常动作或是动作后不能返回。

小浪底电厂压油罐油位的测量采用磁浮子液位计，它是以浮球为测量元件，通过连杆上的磁刚将液位变化进行传送。液位计配有液位报警器和液位远传装 置。液位报警器可实现液位的上、下极限报警及限位控制。液位远传装置可将液位变化转换成4-20mA电流信号，由于采用不锈刚等防腐材料，应用于腐蚀、有 毒、易燃等场合。

行程开关是一种接触式位置传感器，其结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部接点就会动作从而完成控制。 在小浪底水电厂中，发电机风闸位置、水轮机导叶锁锭位置均采用了行程开关。在实际应用中，行程开关由于不断地受到外力的作用，其整体就会发生位移从而不能 正确地反应物体的位置，这点要引起注意。

12　大电流、高电压的检测

电压互感器PT和电流互感器CT主要是将一次系统的高电压和大电流按比例变换成低电压和小电流，供给测量仪表和保护装置使用。执行这些变换任务的 设备，最常见的就是我们通常所说的互感器。进行电压转换的是电压互感器而进行电流转换的互感器为电流互感器。

小浪底电厂中的电压互感器PT，主要是将220KV，35KV，10KV等高电压转换为100V；发电机机端采用变比为15000A/1A的电流 互感器。

值得注意的是严禁将电流互感器二次侧开路以及严禁在电压互感器二次侧短路或接地。

电压互感器和电流互感器都应用于交流回路。此外，还有将直流大电流转换为毫伏级别的分流器。

13　结束语

以上介绍的传感器在小浪底水电厂中的应用是目前的状况，但随着传感器的发展和科学技术水平的提高，更多更好的传感器将不断出现，从而使电厂的自动 化水平得到进一步的提高。