轉(zhuǎn)子磁極直接接觸式溫升測量方法研究

曹　波，楊　斌

（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江杭州311600）

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轉(zhuǎn)子磁極直接接觸式溫升測量方法研究

曹波，楊斌

（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江杭州311600）

摘要：轉(zhuǎn)子磁極是水輪發(fā)電機組的核心部件，其溫升也是機組性能的一個重要指標。目前測量磁極溫升的傳統(tǒng)方法是采用電壓電流法，而本文介紹了一種新型直接接觸的方法進行磁極測溫，并取得了一定的研究成果。

關(guān)鍵詞：直接接觸；磁極；溫升

1　引言

轉(zhuǎn)子磁極是水輪發(fā)電機組的核心部件，是產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)，其溫升也是機組性能的一個重要指標，一直以來備受關(guān)注。轉(zhuǎn)子磁極做為轉(zhuǎn)動部件，一般無法直接測溫。目前國內(nèi)外對于磁極溫度的測量，一般是采用傳統(tǒng)的方法，即電壓電流法，這是一種間接的方法，通過測量轉(zhuǎn)子磁極的電壓和電流，計算得出磁極的電阻，進而推算其溫度。

電壓電流法較為傳統(tǒng)，也有一定的局限性和片面性。電壓電流法測量的是整個磁極繞組的電壓和電流，計算得出的也是整體電阻，這種方法確定的只是整個轉(zhuǎn)子繞組的平均溫升，無法反應(yīng)特定區(qū)域的情況。

本文介紹一種轉(zhuǎn)子磁極直接接觸式溫升測量的方法（以下簡稱直接法），這種方法在磁極繞組銅排上埋設(shè)鉑電阻，并通過導線傳遞溫升，記錄在錄波裝置內(nèi)，其測量數(shù)據(jù)量較多，能反映不同區(qū)域的溫度，對于溫升評估及學術(shù)研究具有積極的意義。

2　項目研究背景及原理介紹

2.1項目研究背景

新安江電廠6號機組原轉(zhuǎn)子磁極存在溫升偏高的問題，其主要原因是磁極繞組銅排型式為矩形銅排，不利于散熱，為解決這一問題，2013年至2014年電廠進行了磁極改造，更換了全部40只磁極，新型的磁極繞組采用帶散熱翅的異型銅排，通風散熱效果大大改善，轉(zhuǎn)子溫升大幅度下降。

在本次磁極改造中，為了詳細地了解磁極繞組的溫升情況，掌握磁極不同位置的溫升情況，電廠開發(fā)出一種磁極直接測溫方法，結(jié)合磁極改造，進行了溫升測量試驗。

2.2原理介紹

轉(zhuǎn)子磁極直接測溫最大的難題在于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部件，測溫元件無法與其直接接觸，國內(nèi)曾出現(xiàn)過紅外測溫的方式，在固定部件上安裝探頭，通過紅外線的方式探測磁極溫度，但準確度不高。在常規(guī)思維里，測溫記錄裝置總是在機組外部的，而現(xiàn)在最大的難題在于轉(zhuǎn)動部件和固定部件的接口問題，但我們?nèi)绻蚱瞥Ｒ?guī)，從另一個角度思考，可以讓記錄裝置和轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，那么相對轉(zhuǎn)子磁極，記錄裝置就是靜止的，不需再考慮旋轉(zhuǎn)的問題了。

根據(jù)這一理念，我們開發(fā)出了直接法測溫裝置，其工作原理為：在繞組銅排內(nèi)埋設(shè)鉑電阻，電阻通過導線和記錄裝置相連，溫度實時記錄在記錄裝置內(nèi)，而記錄裝置則放置在轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)，完成一次測溫試驗后，將記錄儀取下，通過優(yōu)盤讀取記錄儀中數(shù)據(jù)，并導入電腦，直觀顯示轉(zhuǎn)子磁極溫度。

新安江電廠開發(fā)的直接法測溫裝置共有三個核心模塊，即測溫裝置、測溫導線、記錄裝置。

3　測量裝置

選取2只磁極做為試驗磁極，安裝測量裝置，每個磁極上布置6個PT100電阻，電阻標準按IEC751B級，電阻測量溫度范圍0～155℃，測量精度±1℃。

3.1電阻安裝布局

電阻通過埋設(shè)法安裝于磁極繞組銅排內(nèi)部，分6處安放，分別位于磁極頭部中間處、磁極尾部中間處、磁極側(cè)面中間處（2個）、磁極側(cè)面上中處、磁極側(cè)面下中處。

3.2電阻埋設(shè)

在磁極繞組銅排處，開2.5mm深的凹槽，長80mm，寬15 mm，PT100埋設(shè)于內(nèi)，間隙采用室溫固化膠填充，并不得高于銅排表面，具體見圖1。

圖1　測溫電阻埋設(shè)圖

4　測溫導線

4.1測溫導線的性能

測溫導線起著連接的作用，每個電阻都有一個專用的測溫傳遞導線，導線一頭連接著測溫電阻，一頭接入溫度記錄儀，將溫度數(shù)據(jù)實時傳遞出去。測溫導線芯線型式為3根玻璃絲銅絞線，芯線材料為鍍錫銅線，絕緣護套材料為聚全氟乙丙烯。芯線結(jié)構(gòu)為n×0.2 mm，截面積為0.25 mm2。在轉(zhuǎn)動部件上工作，安全性和可靠性非常重要，應(yīng)能承受一定的高電壓、拉力和高溫。經(jīng)過測試，測溫導線可進行1kV交流電耐壓1 min，熱電阻完好無損，在160 N的拉力下，導線無變形，其工作溫度也在-100～+180℃之間，完全滿足測溫要求。

4.2測溫導線的布局

測溫導線沿磁極背板鋪設(shè)，每隔一段采用扁鐵固定，扁鐵與磁極背板電焊固定，具體見圖2，現(xiàn)場照片見圖3。

5　記錄裝置

記錄裝置由測溫記錄儀、采集箱、電池、蓋板等組成。記錄裝置安放在發(fā)電機內(nèi)部，并安裝牢固，隨機組轉(zhuǎn)動，在機組運行時實時記錄轉(zhuǎn)子磁極溫度。記錄裝置共2套，每套負責記錄一只試驗磁極的溫升數(shù)據(jù)。測溫記錄儀選用專用無紙記錄儀，采樣周期選30 s（可調(diào)節(jié)），與傳統(tǒng)的電壓電流法每30 min一個點相比，數(shù)據(jù)量大大增加，數(shù)據(jù)更有指導意義。

圖2　測溫導線布線圖及固定圖

圖3　試驗磁極及測溫導線照片

5.1測溫記錄儀的性能

測溫記錄儀在發(fā)電機內(nèi)部工作，需具備良好的性能，否則會給機組安全運行帶來隱患。專用無紙記錄儀具備如下性能：高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、強磁場環(huán)境、高溫環(huán)境下，可真實記錄數(shù)據(jù)；采樣頻率高，可在1s、2s、5 s、10 s、15 s、30 s、1 min、2 min、4 min選擇；采樣時間長，按每30 s一組數(shù)據(jù)，可采樣120 d；備數(shù)據(jù)導出功能，支持USB2.0協(xié)議，支持優(yōu)盤容量2GB。記錄儀由24 V直流電源（由干電池并聯(lián)組成）供電。在新安江電廠實際測溫試驗中，試驗時間長達10個h，記錄儀一直安全可靠工作。

5.2測溫記錄儀的安裝

為固定記錄裝置，并且保證對發(fā)電機組運行時不受影響，特制了一個采集箱，用于安裝記錄儀，采集箱由6 mm不銹鋼板焊接而成，為箱型，測溫記錄儀和電池放置在采集箱內(nèi)。采集箱焊接在轉(zhuǎn)子輪臂孔內(nèi)。其上有上蓋板，側(cè)面有側(cè)蓋板，上蓋板和側(cè)蓋板通過螺栓與采集箱連接，為方便散熱，在測溫采集箱上蓋板上加工有5只φ30的通氣孔。

6　直接法測量結(jié)果的可信度和準確度

新安江電廠2013年進行了直接法測溫的試驗，試驗非常成功。為了驗證直接法測溫的準確性，進行了兩次比較，一是和電壓電流法比較，這是比平均值，考察直接法測量的可信度，二是和理論計算相比較，新安江電廠6號機磁極改造前，由磁極設(shè)計單位進行了溫升計算，不僅對整體溫升有過理論計算，而且對磁極的各個部位的溫升情況也進行了計算，通過比較每個測點的溫度和理論計算值，可以判斷直接法測溫的準確度。

6.1直接法與電壓電流法平均溫度對比

在進行直接法測溫試驗的同時，新安江電廠也進行了電壓電流法的試驗，并對兩組數(shù)據(jù)進行比較。直接法測量轉(zhuǎn)子溫度，每30 s一個點，數(shù)據(jù)量非常龐大，但電壓電流法30 min一組數(shù)據(jù)，總共只測13組數(shù)據(jù)。為便于比較，將直接法中同一時間（按照電壓電流法的時間）的數(shù)據(jù)導出，得到如下對比表1。由于直接法測溫共12個測點，數(shù)值存在區(qū)別，因此，比較結(jié)果采用2只測溫磁極12個測溫點的算數(shù)平均值。

表1　直接法與電壓電流法平均溫度對比　單位：℃

從表1可以看出，電壓電流法和直接法測出的溫度數(shù)據(jù)差別不是太大，每組數(shù)據(jù)都在10℃以內(nèi)，溫度變化趨勢完全一致，即每組數(shù)據(jù)都是電壓電流法數(shù)值比直接法數(shù)值大，具體可見圖4。

直接法和電壓電流法的溫度數(shù)值存在差別，差值為6～10℃，原因是電壓電流法考察的是整個勵磁繞組的電阻變化，是一個綜合的評估，而直接法測溫得到的數(shù)據(jù)，我們進行了算術(shù)平均，而實際上磁極繞組的溫度分布并不是均勻的，所以導致的差別的存在。但從溫度趨勢上看，兩種方法幾乎完全一致，因此直接法測量轉(zhuǎn)子磁極溫度數(shù)據(jù)是可信的，對于評估轉(zhuǎn)子磁極溫升情況具有學術(shù)意義的。

圖4　直接法和電壓電流法測溫結(jié)果對比圖

6.2直接法測量結(jié)果和理論結(jié)算的比較

前文我們對兩種磁極測溫方法的數(shù)據(jù)結(jié)果進行了比較，得出了直接法測溫是可信的，那么他能否真實反映磁極不同部位的溫度情況呢，我們將測量結(jié)果與磁極溫升理論計算結(jié)果進行了比較。

圖5根據(jù)磁極繞組溫度場計算得出的磁極繞組溫度分布云圖，從磁極長度方向的中部作了一個切面，根據(jù)理論計算，磁極繞組不同部位的溫度存在差別，溫度高低排序依次為：背風側(cè)中部、背風側(cè)中上（下）部、端部、迎風側(cè)中上（下）部、迎風側(cè)中部。

圖5　磁極繞組溫度分布云圖

在直接法測溫試驗中，每個磁極共設(shè)置6個測溫點，兩端部（頂部和下部）各1個，中部兩側(cè)各1個，中下部兩側(cè)各1個。編號為：迎風側(cè)中下部1號、迎風側(cè)中部2號、頂部3號、背風側(cè)中部4號、背風側(cè)中下部5號、下部6號。直接法測溫數(shù)據(jù)曲線見圖6。

圖6　直接法測溫數(shù)值趨勢圖

從測溫圖上可以看出，溫度高低依次為4號點、5號點、6號點、3號點、1號點、2號點，即背風側(cè)中部、背風側(cè)中下部、下部、頂部、迎風側(cè)中下部、迎風側(cè)中部，與理論計算完全一致，據(jù)此可以推斷，直接法測溫可以反映磁極繞組不同區(qū)域的溫度。

7　結(jié)束語及展望

磁極繞組溫升是發(fā)電機一個非常重要的性能指標，意義重大，控制溫升可以降低絕緣老化損傷的風險，提高機組的安全性，延長使用壽命。采用直接法測量磁極溫升，可以得出大量數(shù)據(jù)樣本，對于科學分析的意義更大，因為是直接接觸繞組，與電壓電流法相比更有真實性，更能反映真實情況。另外直接法測溫能反映不同區(qū)域的溫度，其最高溫度點實際意義更大，因為這個區(qū)域的溫度對于繞組絕緣的影響起到?jīng)Q定性的作用。

這種直接測量方法投入成本低，安裝也較為方便，操作比較簡易，在大多數(shù)電廠都可以實現(xiàn)，測量數(shù)據(jù)準確，能真實反映轉(zhuǎn)子磁極的溫升，值得同行業(yè)借鑒和推廣。

參考文獻

[1]白延年.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]陳錫芳.水輪發(fā)電機電磁與計算[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

作者簡介：曹波（1984-），男，工程師，從事水電站機電技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-12-08

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.020

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）04-0060-04