光纖測溫系統(tǒng)在水輪發(fā)電機定子測溫中的應(yīng)用

李洪超

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

伴隨著我國水輪發(fā)電機幾十年的不斷發(fā)展與進步，常規(guī)新建的水輪發(fā)電機各項性能參數(shù)指標(biāo)逐漸趨于優(yōu)異和穩(wěn)定，水輪發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)也日漸發(fā)展趨于成熟，因此越來越多的電站開始關(guān)注水輪發(fā)電機的在線監(jiān)測技術(shù)，以便對機組的健康狀況進行有效地判斷，光纖測溫技術(shù)也開始受到了更多電站的關(guān)注[1-4]。

2 光纖測溫技術(shù)的發(fā)展

對于常規(guī)水輪發(fā)電機來講，在定子上通常進行在線監(jiān)測的位置包括定子繞組、定子鐵心以及定子端部壓指等，測溫方式采用鉑電阻溫度計Pt100 對被測位置進行溫度在線監(jiān)測。但定子溫度計在初次安裝之后具有更換困難的特點，尤其是定子繞組溫度計。而鉑電阻溫度計在經(jīng)歷長期使用后，容易出現(xiàn)溫度計斷線、測量溫度漂移等問題，因此水輪發(fā)電機的定子在經(jīng)過多年運行后很容易出現(xiàn)無法正常監(jiān)測實時溫度或監(jiān)測溫度不準(zhǔn)確的情況，對電站運行造成很大困擾[5]。甚至一些運行時間比較長的電站的所有定子電阻溫度計全部已無法使用，而且一定時間內(nèi)沒有更換溫度計的檢修周期，只能臨時采用在定子繞組等關(guān)鍵部件旁邊臨時增加外部溫度計測點的方式粗略地監(jiān)測定子溫度，監(jiān)測溫度的準(zhǔn)確性大幅度降低，還存在一定安全隱患。

近十幾年來，為解決上述問題，尤其是鉑電阻溫度計長時間使用后容易產(chǎn)生的測量溫度漂移問題，為更好地監(jiān)測水輪發(fā)電機定子關(guān)鍵部件溫度情況，推進水輪發(fā)電機定子溫度在線監(jiān)測技術(shù)的提升，光纖測溫技術(shù)逐步進入國內(nèi)各個水電站的視線，逐漸有電站利用在機組技改時嘗試在水輪發(fā)電機定子上增設(shè)光纖測溫點。

最開始時，主機廠及電站人員對光纖測溫技術(shù)的了解還不夠深入，只是針對已投運電站利用檢修期間在個別機組的定子銅環(huán)引出線處設(shè)置光纖測溫點，安裝比較方便，對電站運營影響也較小，只需將光纖傳感器放置于銅環(huán)表面并在光纖傳感器外部繞包絕緣并檢查電氣及絕緣性能即可。在驗證光纖測溫技術(shù)的有效性以及對發(fā)電機其他設(shè)備沒有造成其他不利影響后，光纖測溫技術(shù)逐步發(fā)展應(yīng)用到繞組、鐵心等部位。

當(dāng)驗證光纖測溫技術(shù)在定子上的在線監(jiān)測有效可靠后，近些年部分新建電站則開始有計劃地在電站建設(shè)之初就將光纖測溫技術(shù)規(guī)劃納入到水輪發(fā)電機定子溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)中，并在主機設(shè)計和生產(chǎn)時將其融入進去，與現(xiàn)有的鉑電阻溫度計測溫技術(shù)形成對比，甚至已有個別電站已在定子上取消了常規(guī)RTD 測溫，而改為全部使用光纖測溫的方式進行定子溫度在線監(jiān)測。可見在逐漸積累一定經(jīng)驗后，光纖測溫技術(shù)在水輪發(fā)電機上的應(yīng)用正在快速發(fā)展。

3 光纖測溫技術(shù)原理

目前在水輪發(fā)電機領(lǐng)域應(yīng)用的可以對被測體特定位置進行實時在線監(jiān)測的光纖測溫技術(shù)主要包括熒光光纖測溫技術(shù)、光柵光纖測溫技術(shù)和半導(dǎo)體砷化鎵光纖測溫技術(shù)，各技術(shù)的光纖測溫原理均有不同。

熒光光纖測溫技術(shù)是基于熒光壽命的一種檢測方式，主要是利用了某些熒光物質(zhì)內(nèi)部電子在接受一定波長的光能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時發(fā)出熒光的壽命與溫度為單值函數(shù)的原理，通過測量熒光壽命來反應(yīng)出實時溫度[6]。熒光光纖測溫技術(shù)特點在于成本相對較低，應(yīng)用場景較廣，應(yīng)用對象的被測體與光纖信號調(diào)節(jié)器一般不宜過遠，以防測量精度受到一定影響，同時熒光光纖傳感器需要在出廠前進行溫度校準(zhǔn)，現(xiàn)場一般不隨意更換通道，在安裝和維護上要求相對較高。

光柵光纖測溫技術(shù)是基于光柵反射波長位移的一種檢測方式，主要是利用寬帶光入射光纖時將產(chǎn)生模式耦合，在滿足一定條件時，光柵將起到一個反射鏡的作用，反射回一個窄帶光波，而不同溫度下反射波長的位移不同的原理，通過測量反射波長位移量來反應(yīng)實時溫度。光柵光纖測溫技術(shù)的特點在于能方便的使用波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖中串接多個光纖光柵進行不同位置的測量，也就意味著當(dāng)存在多個測溫點時，光柵光纖測溫技術(shù)可將其串接，最終可只引出1 根光纜，在測溫點較多時，可大幅度降低機坑內(nèi)外的電纜敷設(shè)數(shù)量。同時，該測溫特點也讓一些關(guān)鍵位置溫度的準(zhǔn)分布式測量有了更大的可行性。

半導(dǎo)體砷化鎵光纖測溫技術(shù)是基于砷化鎵晶片吸收光波特性的一種檢測方式，主要是利用砷化鎵材料吸收光子波長可反應(yīng)出禁帶寬度，而禁帶寬度又與溫度正相關(guān)的原理，當(dāng)砷化鎵材料接收光源發(fā)出的光束后，吸收特定波長后通過獲得吸收光子的波長即可反應(yīng)出實時溫度。半導(dǎo)體砷化鎵測溫技術(shù)的特點在于半導(dǎo)體材料只對溫度參數(shù)敏感，穩(wěn)定性好，且測溫精度不受光纖線路長度影響，但成本相對較高，尤其當(dāng)需求的測溫點數(shù)量較多時，一定程度上會提高機組的整體制造成本。

4 光纖測溫系統(tǒng)構(gòu)成

雖然各類型光纖測溫技術(shù)的原理大不相同，但從整體來看，各類型光纖測溫系統(tǒng)的組織架構(gòu)基本一致。下面以某15.75 kV、200 MW 水輪發(fā)電機組為例，著重介紹光纖測溫系統(tǒng)的構(gòu)成方式，以及光纖測溫系統(tǒng)在水輪發(fā)電機定子測溫領(lǐng)域的具體實施型式，為后續(xù)新建和改造機組使用光纖測溫技術(shù)提供參考和技術(shù)支撐。該機組采用的技術(shù)為半導(dǎo)體砷化鎵光纖測溫技術(shù)。

光纖測溫系統(tǒng)主要由光纖傳感器、耦合器、外部光纖、光纖信號調(diào)節(jié)器以及屏柜等組成，其系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 光纖測溫系統(tǒng)圖

4.1 光纖傳感器

光纖傳感器即光纖測溫系統(tǒng)的前端，放置在所需進行溫度監(jiān)測的被測點位置，用于采集被測點位置溫度，并帶有光纖測溫探頭。半導(dǎo)體砷化鎵探頭的芯線直徑為Φ62.5 μm，增加外部殼體后，整個光纖測溫探頭直徑約為Φ1.1 mm，光纖傳感器在測溫探頭部位一般還設(shè)有安裝圓片，用于保護測溫探頭。

光纖傳感器可精確測量被測物體溫度，測溫范圍可達-40℃~225℃，測得的溫度以光纖信號方式沿引線傳播，最后經(jīng)引線末端的ST 接頭輸出。整個光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫、阻燃、耐油、防水等特性，符合在水輪發(fā)電機上應(yīng)用的條件。內(nèi)部光纖的引線外徑約為Φ3.15 mm，ST 接頭直徑約為Φ9.1 mm。光纖傳感器示意圖如圖2 所示。

圖2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 外部光纖

光纖傳感器的引線長度一般不超過15 m，當(dāng)所需的引線長度超過15 m 時，為提高光纖傳輸?shù)慕?jīng)濟性，則要考慮增加外部光纖，外部光纖是光纖傳感器的延長線，其耐溫等性能略低于光纖傳感器，主要適用于較遠距離的光纖傳輸。

4.3 耦合器

耦合器用于連接光纖傳感器和外部光纖。

4.4 光纖信號調(diào)節(jié)器

光纖信號調(diào)節(jié)器是光纖傳感器的終端轉(zhuǎn)換設(shè)備，可將光纖傳感器傳輸?shù)墓饫w信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并現(xiàn)地顯示。光纖信號調(diào)節(jié)器通訊端口為RS485及USB，有18 通道、24 通道等多種通道數(shù)量供選擇，該機組需求的測溫點數(shù)量為34 點，考慮留有一定的余量，最終采用了2 臺18 通道的光纖信號調(diào)節(jié)器，每臺外形尺寸為235 mm×300 mm×98 mm。

4.5 屏柜

光纖信號調(diào)節(jié)器的顯示屏一般為7 寸小顯示屏，觀察被測點溫度時較為不便，尤其在測點數(shù)量較多時，一般還要通過多頁顯示方式現(xiàn)地翻頁查看，使用的親和性較低。為提高電站的人性化設(shè)計，一般在機坑外圍設(shè)置現(xiàn)地顯示屏柜，集成包括光纖信號調(diào)節(jié)器、電腦終端、大型顯示屏以及輔助的走線、照明等配套設(shè)施，將光纖信號調(diào)節(jié)器的現(xiàn)地顯示讀數(shù)傳輸?shù)酱笮惋@示屏上，以便更方便更快捷地觀察到被測點溫度。另外，光纖系統(tǒng)現(xiàn)地顯示屏柜的數(shù)據(jù)也可傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，方便遠方監(jiān)控觀察光纖信號傳感器測點溫度。

5 光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計

某電站水輪發(fā)電機定子的光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測對象較為全面，包括定子繞組、定子鐵心、齒壓板以及銅環(huán)引線，共設(shè)置34 點。各部位的具體測點情況如下。

5.1 定子繞組光纖測溫

定子繞組光纖測溫點設(shè)置在上、下層繞組之間，實際使用時，繞組光纖傳感器外部一般設(shè)置墊條進行外殼封裝，在保護光纖傳感器的同時，也可以保證帶有光纖傳感器的墊條尺寸與常規(guī)層間墊條尺寸一致，外殼封裝采用絕緣板墊條包裹光纖傳感器并使用灌注膠粘牢的結(jié)構(gòu)型式，如圖3 所示。定子繞組光纖測溫為每相每支路設(shè)置1 點，該機組為三相四支路電機，共設(shè)置12 點，圓周方向基本均布，根據(jù)各相繞組的分布情況，將U 相的4 個光纖測溫點布置在第81 槽、261 槽、441 槽和621 槽，V 相的4 個光纖測溫點布置在第22 槽、202 槽、382 槽和562 槽，W 相的4 個光纖測溫點布置在第142 槽、322 槽、502 槽和682 槽。

圖3 光纖傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意

5.2 定子鐵心光纖測溫

定子鐵心光纖測溫設(shè)置在定子鐵心背部，高度上設(shè)置在定子鐵心中部，定子鐵心沖片留有用于裝設(shè)光纖傳感器的凹槽，并在疊片時疊出，凹槽高度以剛好能夠裝入光纖傳感器為宜。因光纖傳感器本身較為脆弱，鐵心光纖傳感器也設(shè)置墊條進行外殼封裝，結(jié)構(gòu)與繞組光纖傳感器基本一致。該機組鐵心光纖傳感器共設(shè)置4 點，圓周方向基本均布，根據(jù)定子鐵心結(jié)構(gòu)將4 個光纖測溫點分別布置在第1.5 槽、181.5 槽、361.5 槽和541.5 槽。

5.3 定子壓指光纖測溫

定子壓指光纖測溫設(shè)置在定子上、下端壓指側(cè)面，因光纖傳感器本身較為脆弱，壓指光纖傳感器也設(shè)置墊條進行外殼封裝，其結(jié)構(gòu)與繞組光纖傳感器基本一致，實施時先在壓指側(cè)面設(shè)置帶有凹槽的固定塊，再將帶有封裝的壓指光纖傳感器插入凹槽中固定即可。該機組壓指光纖傳感器共設(shè)置6 點，上端和下端壓指各3 點，上下位置對應(yīng)，圓周方向基本均布，根據(jù)定子鐵心結(jié)構(gòu)，將6 個光纖測溫點分別布置在第116 槽、416 槽和596 槽的上端和下端壓指位置。

5.4 定子銅環(huán)引線光纖測溫

定子銅環(huán)光纖測溫設(shè)置在定子匯流排上，測溫點結(jié)構(gòu)采用光纖傳感器緊貼銅環(huán)并在外部直接包繞主絕緣的結(jié)構(gòu)型式。該機組銅環(huán)光纖傳感器也為每相每支路1 點，共設(shè)置12 點。測點位置設(shè)置在主引出線位置的銅環(huán)引線處，方便集中引線。

定子各部位測點的光纖傳感器通過耦合器及外部光纖連接到機坑外部的光纖信號調(diào)節(jié)器上，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號在屏柜上顯示，實現(xiàn)了定子溫度光纖在線監(jiān)測。

6 結(jié)語

本文介紹的某水電站裝有光纖測溫系統(tǒng)的機組現(xiàn)已投入商業(yè)運行，其定子上不僅設(shè)計了新型的光纖測溫，還設(shè)計了傳統(tǒng)的RTD 測溫，實現(xiàn)了光纖測溫和RTD 測溫的同臺對比。根據(jù)現(xiàn)有的運行狀況，光纖測溫和RTD 測溫的溫度基本吻合，驗證了光纖測溫系統(tǒng)在水輪發(fā)電機定子上的應(yīng)用是可行的，這也為后續(xù)有意采用光纖測溫技術(shù)的電站提供了十分有價值的參考。隨著光纖測溫技術(shù)在水輪發(fā)電機上使用的日趨成熟，越來越多的電站更加愿意嘗試和擴大光纖測溫技術(shù)的使用。已有部分電站在轉(zhuǎn)子上增設(shè)了光纖測溫，對磁極關(guān)鍵位置以及集電環(huán)等進行了監(jiān)測，突破了轉(zhuǎn)子溫度在線監(jiān)測困難的難題；也有部分電站在軸承上采用了光纖測溫，配合定子的光纖測溫，實現(xiàn)了水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測的光纖化；還有電站開始嘗試在定子繞組、鐵心等位置裝設(shè)可更換式光纖傳感器。相信在不遠的將來，光纖測溫技術(shù)在水電機組上的應(yīng)用一定會愈加深入、愈加廣泛，并向著規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化邁進。