光纖測溫技術在發電機定子溫度測量中的應用

宗和剛，金鵬林，楊 祥

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電廠，云南 迪慶 674606）

0 概述

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉境內的瀾滄江上游河段上，是瀾滄江干流水電基地上游河段規劃“一庫七級”梯級電站中的第2級電站，上鄰古水水電站，下接里底水電站。全廠裝設4臺混流式水輪發電機組，單機容量247.5 MW，總裝機容量990 MW，機組額定電壓15.75 kV，額定轉速115.4 r/min，采用空冷方式冷卻。電站1號、2號機組定子測溫采用pt100鉑電阻溫度測量傳感器進行測量，在3號、4號機組定子測溫中，全國首次運用了光纖測溫傳感器技術對溫度進行測量。單臺機組定子共設計光纖測溫點148個，其中，定子繞組布設測溫點72個，定子鐵心布設測溫點48個，上下壓指布設測溫點28個。自2019年7月13日4臺機組全部投產以來，3號、4號機組定子溫度的測量系統運行良好。

1 光纖測溫系統的基本構成

光纖測溫系統主要由四部分構成：光纖光柵傳感器、傳輸光纖、光纖光柵解調儀和計算機監控系統，如圖1所示。

圖1 光纖測溫系統

1.1 光纖測溫的原理

1.1.1 光纖Bragg光柵（FBG）傳感原理

如圖2，當寬帶光波在光纖傳感器中傳播時，外界的物理量（如溫度、應變、應力、位移等）變化會引起入射光波的特征量發生變化，通過測量光波的特征量變化情況即可獲得外界相關因素的變化情況，因此可將光纖作為傳感元件來探測各種待測量[1]。

圖2 光纖傳感基本原理

如圖3，通過進一步研究發現，當寬帶光源發出的光波進入待測光柵時，在滿足布拉格條件的情況下發生反射，反射的波長被稱為FBG的中心波長λB（即Bragg波長）。這里的中心波長λB與光纖纖芯的有效折射率n及光柵的折射率變化周期Λ（即光柵之間的距離）有關[2]。它們之間滿足以下關系：

圖3 光纖Bragg光柵傳感原理

當光柵受到外界溫度、應變等作用時，符合Bragg條件的反射波長發生位移[3]。對（1）式微分可得：

上式即為光纖傳感檢測的原理，通過檢測滿足Bragg條件的反射波中心波長發生位移來檢測作用在光纖上的溫度、應變等外界被測信號[4]。

1.1.2 光纖Bragg光柵溫度計工作原理

光纖Bragg光柵溫度計利用光纖光柵的反射波長在一定的溫度范圍內與溫度的相關性實現溫度測量，當溫度計按照位置的溫度發生變化時，其反射波長值也隨著變化，溫度升高，波長變大。傳感器溫度計算公式如下：

在測量精度要求較高的情況下，可采用二次擬合算法[5]：

式中：a、b均為傳感器的溫度系數；λ為光纖溫度計當前波長測量值；λ0為光纖溫度計初始波長測量值；T0為光纖溫度計初始溫度值。

以一只定子繞組光纖溫度計的數據進行闡述。 已 知λ=1 528.547 3 nm，λ0=1 529.199 7 nm，T0=85.649 3 ℃，a=-8.437 3，b=94.417 1。

這里的λ0、T0、a、b都是傳感器在出廠前在實驗室內進行標定的，標定的設備精度遠高于傳感器自身。而λ是傳感器處于定子繞組中時，實際測量得到的。將以上數據代入（4）式，即可計算出當前定子繞組的溫度T=20.46 ℃。

1.2 光纖光柵測溫解調儀簡介

光纖光柵測溫解調儀用于各類光纖光柵傳感器的全光譜多通道同步、快速、準確的解調測量，滿足各類光纖光柵傳感器數據動態監測的需要。裝置具有 8、16、32 路測量通道，掃描頻率為 1～100 Hz 可調，波長測量精度2 pm。裝置具有 8路告警開出與1 路故障開出功能。每路告警開出可單獨進行組態配置，根據配置的開出組態進行開出判斷處理；當裝置電源、測量出現故障時，設置故障開出。為適應常規水電廠及其它工業控制應用場景，裝置還具備了Modbus-RTU及Modbus-TCP、MMS網絡通訊等功能。

具體來說光纖光柵測溫解調儀功能如下：①將傳感器上送的波長變化量轉換成實際溫度量；②在解調儀內部有組態軟件，通過相關的組態軟件進行組態，組合出電廠實際需要的信號；③將測量的溫度量信號、組態信號以及解調儀自身故障開出信號上送給電廠監控系統。

2 光纖測溫系統的現場安裝

以烏弄龍電站3號機組的光纖測溫傳感器安裝為例，見圖4。該機組定子光纖測溫系統共設計測溫點148個。其中，定子繞組布設測溫點72個，定子鐵心布設測溫點48個，上下壓指布設測溫點28個。

圖4 光纖測溫系統安裝結構圖

在定子機座外壁上安裝16個光纖接續保護盒，傳感器光纜通過電纜橋架引入光纖接續保護盒，傳感器光纜于接續保護盒內熔接后串接成傳感器陣列，傳感器陣列與一根多芯光纜熔接，多芯光纜沿外部電纜橋架引至測溫LCU柜內的光纖配線架，然后再使用尾纖接入光纖光柵解調儀。光纖調制解調儀具備溫度保護組態及告警輸出功能，可進行歷史數據存儲，解調儀將光纖光柵傳感器光信號最終計算為溫度值并傳輸至監控計算機。

2.1 光纖測溫傳感器的結構

該傳感器采用耐高壓、耐高溫、阻燃絕緣材料封裝，安全可靠。它可以埋入被測物體的內部或將其粘貼于被測物表面進行溫度監測，實現準分布式精確測溫。結構上看它由光纖光柵敏感元件、保護殼體、特殊光纜保護套管等幾部分組成，如圖5所示。光纖光柵作為感溫元件，同時采用高強度絕緣承壓板作為保護外殼，電絕緣性能穩定，平整度好。儀器尾部光纜外護套采用多層高壓絕緣及承力結構組成的特殊光纜保護套管，光纖尾端可做 FC 接頭進行測試。

圖5 光纖測溫傳感器結構

2.2 光纖測溫傳感器的安裝

定子繞組溫度測量傳感器先封裝于層間墊條內，層間墊條總長2 m，根據設計，傳感器分別安裝在不同墊條的上、中、下部。安裝應在內層線棒加溫結束后、外層線棒安裝前開始進行。繞組溫度計安裝在層間墊條內部，層間墊條豎直插入定子層間，并用玻璃絲帶將尼龍管、溫度計出線與線棒之間綁緊，保證其相互之間沒有相對運動，最后用膠水刷透玻璃絲帶待其固化，安裝圖如圖6所示。

圖6 繞組溫度計安裝效果圖

定子鐵心溫度計安裝在由特殊片疊加而成的矩形槽內，安裝之前同樣需要用毛氈布包裹溫度計外殼，再將毛氈布刷好膠后從鐵芯背面塞入安裝槽內，儀器尾端露出 5 mm。光纜尾部穿過半剖尼龍管，并同樣將尼龍管用玻璃絲帶固定于定位鋼筋上，再用膠水刷透玻璃絲帶待其固化，安裝圖如圖7所示。

圖7 鐵心溫度計安裝效果圖

定子壓指溫度計直接安裝于上下壓指內部，壓指溫度計安裝應在壓指槽鋼焊接完成后進行。安裝前傳感器采用毛氈布進行包裹，用配比混合后的涂刷膠將毛氈布和玻璃絲帶刷上膠水，再將傳感器緩緩塞入槽鋼內，儀器尾端露出5 mm。光纜尾部穿過半剖尼龍管，并將尼龍管用玻璃絲帶固定于定位鋼筋上，最后用膠水刷透玻璃絲帶待其固化，處理結果如圖8 所示。

圖8 壓指溫度計安裝效果圖

2.3 安裝注意事項

（1）溫度計安裝后必須對傳感器引出光纜進行保護，防止在施工過程中造成光纜損壞，可用毛氈布將出線端裹住。同時需對傳感器進行檢測，將傳感器尾部的光纜接頭與光纖光柵解調儀相接，測試傳感器的波長，確定傳感器測值正常無損壞，作好標識并記錄傳感器波長及編號。

（2）傳感器安裝時內部的傳感器光纜在折彎角較小的地方應選擇合適位置用膠粘貼或綁扎帶固定牢固，防止施工期因為拉拽損傷光纜；在空間允許的地方， 盡量保證較大的折彎角。

（3）傳感器光纜應穿管保護。

（4）溫度計測量時要保證接頭處清潔，如被弄臟，用清潔棉球蘸酒精擦拭，同時做好儀器的編號與檢查工作，溫度計光纜使用光纖熔接機將傳感器尾纖與外界光纜熔接，熔接點用光纖保護套管保護。

3 光纖測溫系統與電站監控系統的聯動

烏弄龍電站3/4號機組的定子測溫采用了光纖測溫系統，具體拓撲圖如圖9所示。光纖測溫傳感器將波長信號送至光纖光柵解調儀，經過解調轉換為溫度量，測得的溫度量經過RS485串口通訊送至對應機組監控LCU A1柜內的通信管理裝置SJ30D[6]；另外，光纖光柵解調儀自身的故障開出信號通過硬接線電纜直接送到對應機組監控LCU A1柜DI模件，進行監控。最后，機組監控LCU通過光纜連接到監控主干網核心交換機。至此，在監控上位機畫面中就能對相關的溫度量進行集中監視。

圖9 光纖測溫系統與電站監控系統的聯動拓撲圖

由于定子鐵心、定子繞組的溫度對于發電機運行而言至關重要，因此一旦檢測到機組的定子鐵心、定子繞組溫度高啟動停機流程是很多電站普遍的做法。以烏弄龍電站3/4號機組定子鐵心、定子繞組溫度高啟動機械事故停機流程為例說明，這兩條策略在機組PLC程序中是這樣實現的，如圖10所示。

圖10 定子鐵心、定子繞組溫度過高啟動停機流程邏輯

光纖光柵解調儀非故障&定子鐵心任意4個溫度過高&定子鐵心繞組溫度過高硬壓板投入&定子鐵心溫度過高軟壓板投入&延時5 min,啟動定子鐵心溫度過高停機源；

光纖光柵解調儀非故障&定子繞組任意4個溫度過高&定子鐵心繞組溫度過高硬壓板投入&定子繞組溫度過高軟壓板投入&延時5min,啟動定子繞組溫度過高停機源；

備注：II_BBUF[48]:光纖光柵解調儀故障；II_BBUF[47]:定子鐵心任意4個溫度過高；II_BBUF[46]:定子繞組任意4個溫度過高；II_BBUF[156]:定子鐵心繞組溫度過高硬壓板；DUMMY_DI[90]:定子鐵心溫度過高軟壓板；DUMMY_DI[91]:定子繞組溫度過高軟壓板；

簡單的組態邏輯可以通過光纖光柵解調儀進行組態，較復雜的邏輯需要在監控系統PLC程序內進行編寫。這里溫度過高定義為超過115 ℃，在解調儀內設置；任意4個定子鐵心、定子繞組溫度過高也是在解調儀內進行組態的，最后通過一個開出量送給監控PLC。監控PLC再將以上信號進行邏輯組合，觸發停機流程。

4 總結

文章以烏弄龍電站3/4號發電機定子光纖測溫系統的實踐為例，系統全面的闡述了光纖測溫系統的構成、光纖測溫傳感器原理、光纖光柵解調儀的使用、光纖測溫系統的現場安裝以及光纖測溫系統與電站監控系統的聯動方式；由于這是光纖測溫技術運用在發電機定子測溫領域的全國首次，經過近兩年的應用實踐，其運行效果良好，值得推廣使用。