一種光纖測溫方法在貫流式機組中的可行性研究

五凌電力有限公司株溪口水電廠 申潘威 劉 禹 莫建安

1 項目概況

株溪口電廠裝有4臺單機18.5MW 的燈泡貫流式機組，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芯與定子槽內(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。定子鐵芯、定子線棒、匯流環(huán)等重要部件部分位置處于無監(jiān)測狀況，給設(shè)備的安全穩(wěn)定運行帶來風險。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，2號發(fā)電機定子鐵芯及繞組共計24個溫度測點，其中8個測溫探頭損壞，不具備測溫功能，且失效溫度探頭呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。株溪口的測溫探頭損壞情況統(tǒng)計見表1。

表1 株溪口發(fā)電機定子測溫探頭失效情況統(tǒng)計

為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，傳統(tǒng)的鉑電阻測溫裝置容易電磁場干擾，容易發(fā)生零點漂移，需定期校驗，長期運行時故障率比較高，且株溪口電廠現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)備用接點不足，需要增加測溫系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換模塊，模塊及相應的服務費用較高。發(fā)電機定子風洞內(nèi)空間位置狹窄，不適合安裝紅外測溫元件，特采用先進的熒光式光纖測溫技術(shù)，具有測量準確、精度高、不受電磁干擾、不受灰塵油污影響等優(yōu)點，費用與傳統(tǒng)的鉑電阻方案對比差別不大。將傳感器安裝在發(fā)電機定子線棒的端部表面，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(guān)系，再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 光纖測溫的選擇與使用

為了實時掌握發(fā)電機組的健康狀況，必須對設(shè)備的運行狀態(tài)進行全面監(jiān)測，水電機組作為機械能向電能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備，其健康狀況影響著電廠的設(shè)備安全甚至電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。發(fā)電機組作為高溫大電流設(shè)備，其故障前兆一般會體現(xiàn)在設(shè)備溫度的上升。在株溪口電廠機組上增加一套發(fā)電機定子溫度動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，有效監(jiān)測機組在運行時發(fā)電機定子的溫升信號，及時預警溫度異常狀況，準確定位溫度異常部位，從而及時處理故障。一方面可以避免電站機組由于事故的擴大化造成的財產(chǎn)損失，另外一方面，可以避免由于機組長時間停機而造成的經(jīng)濟損失。可以實時監(jiān)控發(fā)電機溫升狀況，準確定位溫度異常部位，及時處理故障，防止設(shè)備損壞，延長機組的使用壽命。選用新式的測溫方法為株溪口電廠其他機組或者其他電廠解決類似問題提供參考建議。

2.1 光纖測溫技術(shù)發(fā)展及其應用領(lǐng)域

2.1.1 光纖傳感器技術(shù)特點

傳感技術(shù)與計算機技術(shù)、通信技術(shù)被稱為當今信息產(chǎn)業(yè)三大支柱技術(shù)之一，是組成現(xiàn)代信息化社會的基礎(chǔ)。光纖傳感則是21世紀傳感技術(shù)的一個重要領(lǐng)域，其發(fā)展直接影響到許多行業(yè)的進步[1]。光纖測溫技術(shù)則是光纖傳感領(lǐng)域中研究與開發(fā)最為活躍技術(shù)，由于光纖溫度傳感器許多獨特的優(yōu)點，因此在高直流電場、高頻場、微波場等環(huán)境中應用非常普遍[2]。光纖傳感器主要有如下特點：抗電磁干擾、高絕緣強度、高可靠性/穩(wěn)定性、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長壽命、免維護等[3]。

2.1.2 常見的光纖傳感器產(chǎn)品

常見的光纖傳感器有基于光纖布拉格光柵型傳感器（波長調(diào)制）、熒光式（熒光余輝）傳感器、砷化鎵半導體晶體吸收型（光強調(diào)制）傳感器、拉曼式/布里淵散射傳感器。主要特點如下：

一是光纖布拉格光柵溫度傳感器。由于溫度的作用是由于熱光和熱膨脹的作用，所以在實際應用中必須對其進行補償或區(qū)別。

二是熒光式測溫傳感器。熒光式測溫傳感器是利用磷化物的熒光輻射的溫度特性設(shè)計的，利用磷化物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，根據(jù)溫度的函數(shù)，來測算出溫度。

三是砷化鎵半導體晶體吸收型傳感器。當溫度上升時，半導體材料的透射率曲線會變得更長，感光元件接收的光強度會變?nèi)酢?/p>

四是拉曼式/布里淵散射傳感器。利用“拉曼散射”的光強和變化率，得到了一定的溫度和溫度變化率。

2.2 常見光纖傳感器基本原理及性能對比

2.2.1 光纖布拉格光柵型傳感器

光纖光柵顯著的優(yōu)點在于，利用波分復用技術(shù)把多個光纖光柵整合在一個單一光纖中，如果只用C 波段進行傳輸，目前的技術(shù)可以實現(xiàn)30個節(jié)點在同一光纖。一般情況下，相關(guān)技術(shù)可以實現(xiàn)實時高精度測量，但是成本和系統(tǒng)復雜度將高很多[4]。同時，光纖布拉格光柵型傳感器還需要解決壓力、應力、溫度、振動、彎曲等環(huán)境因素相互綜合作用，不利于對單一物理量測量的問題。

2.2.2 熒光式光纖溫度傳感器

熒光式光纖溫度傳感器是一種采用常規(guī)的多模式光纖，并在其表面涂覆一層磷光體（粉末），當受到特定的光激發(fā)時，磷光體就會發(fā)出熒光能。熒光材料的熒光特性、環(huán)境溫度、激發(fā)態(tài)等因素決定了熒光材料的發(fā)光能力。因此，根據(jù)熒光壽命的長度，可了解當時的環(huán)境溫度。在熒光壽命測溫系統(tǒng)中，一般使用高功率的激光脈沖或者方波脈沖作為激勵光源，并對其發(fā)光壽命進行檢測，以求其對應的溫度。

2.2.3 砷化鎵半導體晶體吸收型（光強調(diào)制）傳感器

根據(jù)半導體晶體-GaAs（砷化鎵）光吸收/發(fā)射的溫度特性制成，溫度變化對這種半導體性能的影響已眾所周知并可進行預測。在任意給定的溫度下，某一特定波長下的發(fā)射從基本上的0%跳躍到100%，這一跳躍稱為吸收漂移。發(fā)生吸收跳躍的這一特定波長與溫度之間的關(guān)系可以預測。

2.2.4 拉曼式/布里淵散射傳感器

利用拉曼散射和光時域反射技術(shù)，測量了溫度、距離。拉曼散射理論是根據(jù)光在光纖中傳播時，所引起的拉曼散射光譜所引起的溫度影響而形成的，從而實現(xiàn)對溫度信息的采集。

2.2.5 四種光纖傳感器之比較

以上四種技術(shù)是當前市場上流行、產(chǎn)品化比較成熟的傳感器，因為其都是基于純光原理，因此具有較多共性，如不加入電、磁過程、遠距離（光纖中的光衰減較慢）、適用于惡劣的環(huán)境、長壽命、體積小等。下文重點討論四種傳感器技術(shù)的不同點。

一是精度。上述四種傳感器技術(shù)都具有較高的精度，均可以滿足絕大多數(shù)需求。從理論上講，熒光式所能達到的精度最高。

熒光式測溫精度主要取決于熒光物質(zhì)受激發(fā)出熒光的特性，以及對熒光余輝的檢測及算法，目前的技術(shù)工藝水平已經(jīng)達到了極高的測量精度，加之簡易的制造工藝和極低的成本，使之成為規(guī)模化工業(yè)應用的佼佼者。在實際產(chǎn)品中，測量精度受到具體廠家對產(chǎn)品本身的材料、工藝加工水平、信號解調(diào)器分辨率等客觀因素的影響，還需要針對具體的產(chǎn)品進行具體對比。目前，批量生產(chǎn)的熒光式測溫產(chǎn)品的長期穩(wěn)定精度（可重復性）最高可達到±0.05℃。

二是集成度與組網(wǎng)。熒光式以其組網(wǎng)的靈活性和組網(wǎng)成本占據(jù)優(yōu)勢，對于復雜拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)更容易實現(xiàn)。光纖布拉格光柵型傳感器的優(yōu)勢是在于傳輸距離和大規(guī)模組網(wǎng)的成本分攤。光纖布拉格光柵型傳感器其本身的特點使得每個探點僅利用相當少的光源分量，大部分光都透過并繼續(xù)傳播。根據(jù)上文介紹，一根光纖上可以最多同時使用20個光柵，傳輸距離超過45km，這一特點無疑為組網(wǎng)帶來較大便利。同時，波分復用等技術(shù)的使用，也提高了這一技術(shù)的可行性。

三是復雜度。熒光式系統(tǒng)的復雜度和成本最低，制造工藝也是最簡單。

四是響應時間。光纖布拉格光柵型傳感器需要一個高性能的解調(diào)解復用接收端，接收端的處理能力往往會影響到其響應頻率。熒光式因其相對簡單，響應頻率一般可以得到保證。目前，成熟的熒光式產(chǎn)品可以達到100ms 的響應。

五是光源。根據(jù)上文的討論，光纖布拉格光柵型傳感器、拉曼光纖、砷化鎵晶體吸收式產(chǎn)品對光源的要求最高，需要大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源，而熒光式對光源的要求則較低，而且壽命可以達到幾十萬小時。

六是靈活性與適用性。四種傳感器技術(shù)探頭都小巧靈活，但光纖布拉格光柵型傳感器顯然要受制于其復雜的波長移位檢測技術(shù)，以及為了消除振動、應力、溫度等不同環(huán)境參量對光柵波長位移的交叉影響而設(shè)計的復雜封裝工藝。在溫度較高環(huán)境中（300℃左右），光柵將會被擦去。

限制砷化鎵晶體吸收技術(shù)發(fā)展的主要障礙是，光源及光路的噪聲與溫度檢測相關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)參數(shù)飄移，要想達到高性能是很困難的。拉曼光纖最大問題在于制造工藝要求高導致高成本，探頭過于嬌嫩易損壞。熒光式目前性價比、穩(wěn)定可靠性、壽命長等產(chǎn)品成熟度指標方面顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

綜上所述，熒光式具備長壽命、產(chǎn)品成熟和低成本的優(yōu)勢。所以最終決定使用熒光式光纖測溫。

2.3 熒光式光纖測溫系統(tǒng)

熒光型光纖溫度傳感器是根據(jù)傳統(tǒng)的光學原理，利用其自身的溫度特征，對其進行測量。核心部件采用目前國際上最新一代熒光式光纖測溫模塊與探頭，具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、高壓絕緣、可靠性高、穩(wěn)定性好、精度高、靈敏度高、壽命長、耐腐蝕、微小尺寸等特點。信號處理系統(tǒng)采用了世界上先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)了信號的實時采集、處理和傳輸。被測體的溫度信息從傳感、傳輸、到解調(diào)全部是由光學信號完成，實現(xiàn)了真正的無電檢測和本質(zhì)安全。在壽命期內(nèi)無須校準標定，特別適合于高電壓、強電磁等特殊工業(yè)環(huán)境中對溫度的實時監(jiān)測。同時，熒光式光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計形式靈活、可靠性高，可完成拓撲結(jié)構(gòu)復雜的多點溫度監(jiān)測，具有極高的環(huán)境適應性。

2.4 定子繞組溫度的測量

選擇損壞數(shù)量最多的2號機組，在其定子繞組端部共設(shè)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(chǔ)，輔以一定的推測方法，可以推測內(nèi)部傳感器的測量值。由于光纖測溫元件安裝位置與原來鉑電阻測溫元件安裝位置有差別，導致測量得到的溫度值也有差別，對于同一根定子繞組，端部（光纖測溫元件安裝處）溫度低于繞組內(nèi)部（原鉑電阻測溫元件安裝處）溫度。

3 結(jié)語與展望

采用先進、準確的熒光光纖測溫系統(tǒng)，可以替代傳統(tǒng)鉑電阻測溫方式，為定子繞組的運行狀態(tài)判別提供了參考。但仍存在以下問題，本文在此提出，為下一步的研究工作提供參考。

一是由于目前加裝的27個光纖測溫探頭數(shù)據(jù)只能測量端部溫度數(shù)據(jù)，由于測溫探頭的安裝位置發(fā)生變化，測量的溫度的也存在差別，需要分別對探頭溫度進行修正。同時，也需完成溫度模型的建立，才能得出更加精確的溫度數(shù)據(jù)。

二是需要經(jīng)過一段時間的運行來積累不同季節(jié)的歷史數(shù)據(jù)，從而對定子繞組的溫度監(jiān)測方法進行優(yōu)化，以提升溫度預測的準確度。

三是由于缺少故障數(shù)據(jù)，對于溫升相似性故障的表現(xiàn)能力如何，不能得到實際的驗證，后續(xù)若有具體的故障數(shù)據(jù)，可以對此進行驗證。