光纖測溫技術在封閉式發(fā)電機定子的應用

錢 程，謝澍宇，劉 禹

（1.五凌電力有限公司株溪口水電廠，湖南 益陽 413500；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

株溪口水電站位于湖南安化縣境內(nèi)，是資水流域規(guī)劃的第八個梯級電站。全廠共裝有4臺單機18.5 MW的燈泡貫流式機組，發(fā)電機型號為SFWG18.5-64/6400，于2008年投運。發(fā)電機定子測溫采用預埋鉑電阻元件實現(xiàn)，即在機組定子線棒裝配階段預埋在定子鐵心與定子槽內(nèi)，經(jīng)十余年的運行，其中部分鉑電阻測溫元件已經(jīng)損壞，不能正常測量與運行。定子鐵心、定子線棒、匯流環(huán)等重要部件完全處于無監(jiān)測狀況，運行風險很大。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，2號發(fā)電機定子繞組共計18個溫度測點，其中8個測溫探頭已經(jīng)完全損壞，不具備測溫功能，且失效溫度探頭呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。

為了使株溪口電廠定子線棒溫度可監(jiān)可控，必須對定子線棒增加測溫元件，確保發(fā)電機長期穩(wěn)定可靠運行。對定子進行解體更換常規(guī)測溫元件，工程投入大，施工周期長。測溫元件主要考慮鉑電阻測溫、光纖測溫、紅外測溫三種。電廠定子鐵心及線棒原有的測溫元件為鉑電阻，之后在定子繞組端部也加裝了鉑電阻傳感器，其優(yōu)點為價格實惠，缺點為易受電磁場干擾、易發(fā)生零點漂移、易受油污及高溫環(huán)境影響、需定期校驗，長期運行時故障率比較高，目前株溪口電廠測溫系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊接口不夠，需要增加兩個轉(zhuǎn)換模塊，設備購置、現(xiàn)場施工及監(jiān)控系統(tǒng)軟件配置及通信連接服務等。紅外測溫元件的安裝需要一定的空間，常規(guī)的紅外成像探頭尺寸為鉑電阻探頭尺寸的數(shù)倍，發(fā)電機定子風洞內(nèi)空間位置狹窄，且有掉落風險，嚴重時將危害機組的正常運行，因此不適合安裝紅外測溫元件。光纖測溫元件具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度、高響應速度、全絕緣、小尺寸、長壽命、免維護等優(yōu)點，單個光纖探頭價格較鉑電阻探頭較貴，其配套的光信號調(diào)制解調(diào)設備價格合理，設備購置、現(xiàn)場施工及與監(jiān)控系統(tǒng)通信服務等，整體價格較鉑電阻測溫元件略高。

經(jīng)過對比論證分析，將熒光式光纖測溫技術應用在封閉式發(fā)電機定子中較為適合。首先將傳感器安裝在發(fā)電機定子線棒的端部表面，再通過定子繞組溫度場模型及歷史運行數(shù)據(jù)，分析定子繞組內(nèi)部溫度和表面溫度的關系，最后通過安裝在定子繞組表面的光纖探頭測量溫度推算定子繞組內(nèi)部溫度。

2 熒光式光纖溫度傳感原理及特性

熒光光纖溫度傳感的原理是利用熒光材料的溫度特性，由于熒光光纖測溫技術抗干擾能力強，且測溫系統(tǒng)比較經(jīng)濟耐用，近年來成為光纖測溫領域的一個研究熱點。熒光式溫度傳感探頭具有抗電磁干擾、穩(wěn)定可靠、微小尺寸、高精度、長壽命及絕緣性好等特點，它是利用磷化物的熒光輻射的溫度特性設計的：安置在光纖一端的微量稀土磷化合物，在受紫外脈沖光照射后激勵發(fā)熒光，熒光余輝時長會隨溫度變化而變化，成為溫度的函數(shù)，從而計算出被測溫度。

根據(jù)對熒光信號處理方式的不同可將熒光溫度傳感器分為熒光強度型、熒光強度比型和熒光壽命型，本文熒光信號處理方式為熒光壽命型。

熒光式溫度傳感探頭是由普通多模光纖和在其頂部涂敷的熒光體組成。熒光體在受一定波長的光激勵后，受激輻射出熒光能量。激勵消失后，熒光體發(fā)光的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性、環(huán)境溫度，以及激發(fā)狀態(tài)。這種受激熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，稱衰減的時間常數(shù)為熒光壽命或熒光衰落時間(ns)。因為在不同的環(huán)境溫度下，熒光壽命也不同，通過測量熒光壽命的長短，就可以得知當時的環(huán)境溫度。

本文采用短脈沖光激發(fā)熒光體，形成的激發(fā)態(tài)熒光體隨時間而衰變，其衰變率為：

對式（1）進行積分，得

式（3）可以寫成

對于以指數(shù)形式衰變的單一熒光體，其發(fā)射強度F（t）和激發(fā)態(tài)群分子數(shù)N（t）成正比，即

如以N（t）或lgF（t）對時間作圖，可得如圖1所示曲線。熒光壽命可以看成熒光強度衰變到初始值的1/e所需的時間。對時間的曲線斜率為熒光壽命倒數(shù)的負值-1/τ。熒光壽命也可以理解為熒光物質(zhì)分子在激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計平均停留時間。事實上，當熒光物質(zhì)被激發(fā)后，有些激發(fā)態(tài)分子立即返回基態(tài)，有的甚至可以延遲到5倍于熒光壽命時才返回基態(tài)，這樣就形成了實驗測定的熒光強度衰減曲線。

圖1 脈沖熒光壽命測量圖解

研究證明，在不同的環(huán)境溫度下，熒光壽命也不同。熒光壽命與溫度的關系可用式（6）表示：

式中E、RE、RT、k、ΔE均為常數(shù)；T為絕對溫度。

因此通過測量熒光壽命的長短，就可以得知當前的環(huán)境溫度。應用這一方法，不需要對光強進行精確測量，只要熒光材料選擇得當，溫度僅由熒光壽命這一本征參數(shù)確定。這種設計，一般來說不受光源波動的影響，這就降低了對控制光源穩(wěn)定的嚴格要求，也省去了比率測量處理的設計。這樣在光源電源的穩(wěn)壓控制上、在光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，它比強度型熒光光纖溫度傳感器的要求低了很多，從而簡化了結構，降低了成本，提高了性能。

3 熒光式光纖測溫系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝

熒光式光纖測溫系統(tǒng)的安裝包括：安裝光纖溫度探頭，安裝光纖測溫端子箱，鋪設電纜，連接光纖測溫解調(diào)器，檢查接線并上電調(diào)試等步驟。

3.1 光纖測溫傳感器的安裝

株溪口水電站定子繞組預埋的內(nèi)部傳感器18只，隨著運行時間的增長，傳感器出現(xiàn)損壞的情況，且損壞數(shù)量逐年增加，其中2號機組損壞數(shù)量最多。本文以2號機組為例，在其定子繞組端部共設置27只熒光光纖測溫探頭，上述探頭沿定子繞組均勻分布。以位置鄰近的端部光纖探頭數(shù)據(jù)為基礎，輔以一定的推測方法，可以推測內(nèi)部傳感器的測量值。

水輪發(fā)電機定子槽數(shù)為432槽，原有的18個鉑電阻（PT100）分別安裝在67、78、96、108、119、130、216、227、245、256、267、279、290、301、319、404、415、427槽上，其中測溫電阻損壞量超過1/3，新安裝的27個光纖測溫傳感器除了在原有18個槽內(nèi)定子繞組端部安裝傳感器外，還有9個傳感器分別安裝在4、13、22、141、153、171、182、193、204槽 上，將 溫 度探頭套入1.0 m的PP阻燃波紋管，在探頭ST頭與波紋管結合部位用玻璃絲帶加環(huán)氧膠包扎固定；將溫度探頭感溫端緊貼上層線棒端部絕緣層表面，用玻璃絲帶加環(huán)氧膠環(huán)繞捆扎固定；將尾纖沿著齒壓板進行布線，并將其綁扎在定子機座上。如圖2所示為108槽光纖溫度傳感器安裝示例，A部位為定子實際槽號108，B部位為108槽上層線棒與其連接的下層線棒絕緣盒，C部位為與108槽上層線棒連接的下層線棒，即108槽探頭的實際安裝位置。

圖2 熒光式光纖溫度傳感器安裝位置（俯視圖）

3.2 光纖測溫端子箱及調(diào)解器的接入

在機組燈泡頭豎井旁的墻壁上安裝光纖測溫端子箱，將傳感器光纜引入測溫端子箱內(nèi)的光纖溫度解調(diào)器。光纖調(diào)制解調(diào)儀具備溫度保護組態(tài)及告警輸出功能，可進行歷史數(shù)據(jù)存儲，解調(diào)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(jiān)控計算機。

為了確保光纖測溫產(chǎn)品安裝過程的安全性，針對2號機定子繞組（單臺機組共計27個監(jiān)測點）的光纖測溫系統(tǒng)進行了全面的測試。通電前首先需要確認是否完全按照電氣圖紙進行了接線；使用萬用表蜂鳴器檔測試確認接線有無短接、開路等錯誤；確認供電電壓是否在解調(diào)器/顯控器要求的電壓等級范圍內(nèi)；通電時觀察解調(diào)器的LED指示燈狀態(tài)是否正常，如有異常立即斷電；現(xiàn)場可利用筆記本電腦測溫軟件進行通信確認，檢查多臺解調(diào)器組網(wǎng)/通信是否正常。經(jīng)過測試，2號機定子繞組光纖測溫共計27個溫度監(jiān)測點，系統(tǒng)指標均在合格范圍內(nèi)。

3.3 注意事項

探頭可靠固定到設計的測量點；感溫面緊貼被測點的表面，探頭安裝到機組溫度監(jiān)測所設計的位置；探頭安裝點平整、牢靠；探頭外觀有用阻燃材料波紋管進行保護；探頭布線捆扎牢靠，不可90°折彎。光纖布線整齊，兩端標識清楚，全程套入PP阻燃波紋管保護，捆扎牢靠，無過度彎折情況。安裝穩(wěn)固牢靠，不影響豎井通道。走線規(guī)范整齊，沿電纜橋架鋪設。根據(jù)設計測溫點位序號對應連接。利用標準PC測試軟件進行測試，每個測點的光路衰減值（Light Level）=3 000±5%，LED電流值（LED Current）＜1 000，溫度值在正常范圍。

4 光纖測溫系統(tǒng)在遠程運維系統(tǒng)的應用

株溪口水電站2號機組的光纖測溫系統(tǒng)不僅接入了電站監(jiān)控系統(tǒng)，同時也接入了遠程運維系統(tǒng)。在遠程運維系統(tǒng)上，以定子繞組外部環(huán)境溫度、機組負荷為邊界條件，建立定子繞組溫度修正值的二維數(shù)組，反映新增定子端部傳感器溫度和對應的定子繞組原來探頭處的溫度差值的一一對應關系，將此二維數(shù)組作為計算關系植入到發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)，得到修正后中部傳感器溫度值。

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)及修正后的溫度數(shù)據(jù)均在遠程運維平臺保存，修正后的數(shù)據(jù)在遠程運維系統(tǒng)功能中展示。取2022年3月19日03:30～3月21日07：30修正的溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析（以1號測點為例）。如圖3所示，展示了上述時間段內(nèi)各個測點的溫度隨時間的變化趨勢。圖中曲線表示的中部實際溫度、中部等效溫度、端部測試值、中部估算值定義如下：中部實際值是指正常測溫的原有中部鉑電阻探頭的測量值；中部等效值是指測溫失效的原有中部鉑電阻探頭，采用正常測溫的鉑電阻探頭的平均值代替其測量值；端部測試溫度是指安裝在定子繞組端部表面的光纖溫度探頭和鉑電阻溫度探頭。

由圖3可以看出，端部測試值、中部實際值（或中部等效值）、中部估算值的變化趨勢相同，中部實際值（或中部等效值）與中部估算值曲線基本重合，且溫度較高時曲線重合度高，溫度上升過程及溫度出現(xiàn)拐點時（如1號測點圖中標記），曲線重合度受影響。

圖3 溫度變化趨勢圖（2022年3月19日03：30～21日07：30）

經(jīng)分析主要的原因為：（1）熱傳導過程需要時間的累積。定子繞組為發(fā)熱源，定子內(nèi)部的熱量沿定子繞組向其端部擴散。發(fā)電功率增大溫度上升時，端部溫度較內(nèi)部溫度上升有一定滯后，再加之程序修正本身的延遲，故采集端部光纖探頭溫度進行估算的值偏低。（2）發(fā)電功率減小溫度下降時，定子繞組的冷卻風機依然運行，此時繞組內(nèi)部產(chǎn)生的熱量減少，此時端部溫度下降較為明顯，繞組內(nèi)部溫度相對端部下降慢，因此估算值較真實值偏低。（3）機組滿負荷運行時，定子繞組溫升更高，此時最容易發(fā)現(xiàn)定子繞組內(nèi)部存在的問題，因此在制定修正方法時，首先考慮機組滿負荷運行情況。

表1統(tǒng) 計 了2022年3月19日03:30～21日07:30各個測點的中部估算值與中部實際值或中部等效值的誤差。主要的統(tǒng)計方式和方法，說明如下：

表1 溫度測點誤差統(tǒng)計

（1）每個測點的傳感器獨立統(tǒng)計，互不影響。

（2）剔除了導出的數(shù)據(jù)樣本中的異常數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計時不考慮這些時刻的值。

（3）平均誤差是所有有效樣本中估算值和實際（等效）值之差的算術平均值。

由于不同光纖安裝的位置不盡相同，其預測值和實際值的偏差也不同。但總體上來看預測值和實際值相差較小，平均誤差小于0.75℃，滿足工程需要。

5 結語

本文采用先進、準確的熒光光纖測溫系統(tǒng)，融合溫度場仿真及歷史數(shù)據(jù)，研究了繞組的溫度監(jiān)測及故障預警定位方法，為定子繞組的運行狀態(tài)判別提供了參考。但仍可以從以下方面進行提升，為下一步的研究工作提供參考。

（1）溫度監(jiān)測系統(tǒng)運行時間有限，需結合加裝的27個光纖測溫探頭積累更多的數(shù)據(jù)量，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，進一步提升溫度預測的精確度。

（2）由于缺少故障數(shù)據(jù)，溫升相似性故障預警方法中閾值取值根據(jù)經(jīng)驗設定，未能進行驗證，后續(xù)若有具體的故障數(shù)據(jù)，可以對上述閾值進行修正。