水輪發電機轉子測溫新方法

趙小丹++程興智++龍元剛

摘 要：水輪發電機轉子溫度測量問題一直是困擾水力發電系統專業技術人員的一大難題，傳統的測溫方法只能測量轉子繞組的平均溫度，不能測量每個磁極各部的溫度，無法實時監測轉子各部的溫度變化情況，已無法滿足正常的運行要求。新型的紅外光電測溫法，采用非接觸紅外線測溫技術，成功的解決了以上問題，可以實現對轉子各部溫度的實時監控，準確掌握轉子各部溫度的變化情況，為機組的安全穩定運行提供了有力保障。

關鍵詞：發電機轉子 伏安法 紅外光電測溫法 紅外傳感器

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0008-02

云峰發電廠位于鴨綠江中上游的吉林省集安市青石鎮，是中朝兩國在鴨綠江界河上合資興建、共同受益、中方管理的大型水力發電工程。全廠共裝水輪發電機組4臺，單機容量11.5萬kW，總裝機容量為46萬kW，其中1、3號機組向中方50 Hz系統供電，2、4號機組向朝鮮60 Hz系統供電。4臺機組自投運以來，已連續運行46年。

水輪發電機組主要有水輪機、發電機、調速器及其它輔助設備組成。發電機主要有定子、轉子等組成。水輪發電機轉子由于需要施加較大的勵磁功率，因此就變成了一個大的發熱體，其溫度的持續升高，直接影響水輪發電機的安全運行，因此必需對其溫度的變化進行實時監控。多年來水輪發電機轉子溫度測量問題一直是困擾水力發電系統專業技術人員的一大難題，傳統的測溫方法（伏安法）只能測量轉子繞組的平均溫度，不能測量每個磁極的各部溫度，用傳統的方法檢測轉子的溫度費時費力，而且此溫度值是整個繞組的平均溫度，無法確定每個磁極繞組的溫度、每個繞組各部的溫度、磁極鐵心的溫度等等。事實上每個繞組和繞組各部的溫度是不完全一樣的，每個磁極鐵心的溫度和鐵芯各部的溫度也是不一樣的，要想更確切地了解轉子各部具體的溫度值，傳統的檢測方法是無法滿足要求的。還有一種方法就是在轉子本體上安裝測溫裝置，然后在轉子旋轉的過程中用光電的方法傳遞給固定部分，這種方法對轉子的動平衡會產生影響，使轉子在運行中出現振動。因此，探究一種新的溫度檢測方法以滿足生產現場的需要，是一個十分迫切的任務。

為了解決上述問題，經過認真的研究分析，提出了一種新型的轉子測溫方法--紅外光電測溫法。即采用非接觸紅外線測溫技術，測量轉子旋轉過程中轉子繞組和鐵芯各部的溫度，實時監控各部的溫度變化情況，為機組的安全穩定運行提供保障。

1 云峰發電廠水輪發電機組概況

云峰發電廠共有4臺立式發電機組，4臺發電機的型號均為TS854/210-40，額定容量為115 MW，額定定子電壓13.8 kV，額定轉速150 r/min，轉子電壓DC385 V，額定轉子電流1300 A，轉子電流密度2.05 A/mm2，轉子重量530t，轉子直徑Φ7.8 m，轉子高度3.12 m，轉子磁極數40個，轉子磁極寬度57 cm，轉子磁極高度2.4 m，轉子磁極厚度46.5 cm，每個磁極重量3.3 t，磁極線匝數30匝，每匝平均長度520 cm，磁極銅線尺寸8×76/68，磁極線圈阻0.2042 Ω，轉子最高允許溫度130 ℃，溫升95 ℃，冷卻方式為強迫風冷。

2 傳統的轉子溫度測量方法

由于發電機在運行的過程中，轉子在不斷地旋轉，因此用測量定子溫度的方法去測量轉子的溫度是不可行的，只能用“伏安法”來測量轉子的平均溫度。即用發電機轉子繞組兩端的直流電壓和轉子中流過的電流，根據歐姆定律先計算出某一時刻轉子繞組的直流電阻，由于轉子繞組是由銅導線繞制而成的，當溫度變化時其電阻也隨之發生變化。根據下列公式便可算出轉子繞組的平均溫度。

傳統的轉子溫度測量是根據下式計算得到。

T=235（℃）

式中：R15----轉子15℃時的電阻值。

1號機：R1F15=0.1891Ω

2號機：R2F15=0.1667Ω

3號機：R3F15=0.1878Ω

4號機：R4F15=0.191Ω

Rt-----為計算值。即Rt=（Ω）

U轉子---運行中測得的轉子電壓，單位為伏（V）

I轉子---運行中測得的轉子電流，單位為安（I）

3 紅外光電測溫的原理

3.1 紅外光電測溫系統的原理概述

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度。紅外測溫系統是通過接收目標物體發射、反射和傳導的能量來測量其表面溫度，測溫裝置的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉換成溫度讀數顯示出來，其原理框圖見圖1。

紅外光電測溫系統由紅外線光電探測部件、信號放大及轉換、數字過濾波及抗干擾、信號處理及運算、現地顯示及報警輸出、上位計算機系統等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫系統的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

測溫系統在線檢測發熱點的溫度，通過掃描，還可以繪出每個磁極溫度分布圖，而且靈敏度高，不受電磁場干擾，便于現場使用。它可以在-20～2000℃的寬量程內以0.05℃的高分辨率檢測電氣設備的熱致故障和電氣設備中的局部過熱點等等。

3.2 測溫系統光電傳感器的布置

紅外傳感器1（HW1）布置在轉子的上端，對準磁極繞組的上端邊，用來測量磁極繞組上端的溫度。距離被測體20 cm。

紅外傳感器2（HW2）布置在轉子的下端，對準磁極繞組的下端邊，用來測量磁極繞組下端的溫度。距離被測體20 cm。

紅外傳感器3（HW3）布置在轉子的下端，斜對準磁極繞組的一個側邊，用來測量磁極繞組側邊的溫度。距離被測體1200 cm。

紅外傳感器4（HW4）布置在轉子的下端，斜對準磁極繞組的另一個側邊，用來測量磁極繞組側邊的溫度。距離被測體1200 cm。

紅外傳感器5（HW5）布置在轉子的上端，對準磁極鐵芯的正面，用來測量磁極鐵芯的溫度。距離被測體40 cm。

紅外傳感器6（HW6）布置在轉子的上端，對準磁軛上平面，用來測量磁極軛的溫度。距離被測體20 cm。

3.3 系統達到的指標

光纖探頭可在160℃的環境長期工作；測溫范圍：-32～400℃；基本誤差：0.5（± 0.5%）；測頭尺寸：φ14×80 mm；距離系數：50：1；測量距離：0.2～3 m；可測最小目標：φ6；響應時間：小于10 ms；溫度分辨率：0.5℃；測量精度：滿量程的±0.5%；重復精度：±0.2；光纖長度：最長10 m；模擬輸出：0～5VDC，4～20 mA；工作電源：±12VDC；工作環境：探頭小于160℃；信號處理單元小于60℃；相對濕度：30℃時10%～95%；響應光譜：7～18 micron；發射率：0.95 Preset；重量：0.7 kg。

4 結語

紅外光電測溫法很好地解決了水輪發電機轉子溫度測量問題，與傳統的測溫方法相比，紅外光電測溫法可以實現對每個磁極繞組、每個繞組各部以及磁極鐵芯溫度的實時監控，根據監控數據可以準確掌握各部件的溫度變化情況，從而掌握機組的運行情況，保證機組的安全穩定運行。且安裝簡單，可操作性強，因此具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 楊立，楊楨.紅外熱成像測溫原理與技術[M].北京：科學出版社，2012.

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[3] 郭紀雄，馬曉飛.有心才有為[N].中國電力報，2011.