汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

畢純輝，孫 凱，王韜，李淑鈺

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汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

畢純輝，孫 凱，王韜，李淑鈺

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

為了保證汽輪發(fā)電機的安全運行，需要監(jiān)測其端部磁場和溫度分布，為此開發(fā)了汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)把傳感器技術(shù)與計算機控制自動測試技術(shù)結(jié)合起來，以完成汽輪發(fā)電機端部磁感應強度和溫度的自動采集和處理，并由專家系統(tǒng)進行計算分析，做出電機工作正常、預警、危險等各種提示。試驗表明，該系統(tǒng)自動化程度高，方便準確，能滿足現(xiàn)場運行的要求。

電機端部；在線監(jiān)側(cè)；CompactRIO系統(tǒng)；LabVIEW

0 前言

隨著發(fā)電機制造技術(shù)的不斷進步，大型汽輪發(fā)電機的容量不斷增加，20世紀70年代以后，汽輪發(fā)電機的最大容量達1300～1500MW，國內(nèi)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機最大容量目前也已經(jīng)達到1000MW以上。隨著容量的增加，其電負荷已經(jīng)超過2000A/cm。如此之大的容量和高的電負荷，使巨型汽輪發(fā)電機的端部磁場分布合理、降低損耗提高效率、防止局部過熱成為焦點問題，這也是限制容量發(fā)展的一個棘手問題。另外，汽輪發(fā)電機在電網(wǎng)中經(jīng)常進相運行，其端部磁場增大，使端部及結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。為此，大型汽輪發(fā)電機端部磁場分布的研究一直受到業(yè)界的廣泛關注。通常采用理論計算的方法對汽輪發(fā)電機的端部電磁場進行分析和研究，通過測量大型發(fā)電機端部的磁場和溫升，以驗證理論計算的結(jié)果，為理論研究和端部結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù)。

通常大型汽輪發(fā)電機定子鐵心端部是通過端部結(jié)構(gòu)件對鐵心進行固定和壓緊，所以要防止電機在運行過程中由于鐵心松動而引起鐵心過熱和振動過大給電機造成的安全隱患。定子端部磁場會在端部結(jié)構(gòu)件和邊段鐵心中感應渦流引起發(fā)熱，掌握電機實際的磁場和溫度分布，有助于采取有效措施，使端部結(jié)構(gòu)更加合理，并為電機的安全可靠運行提供依據(jù)。因此在線監(jiān)測大型汽輪發(fā)電機各種工況下的端部結(jié)構(gòu)件溫度、磁感應強度分布等是非常必要的。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

本文論述的汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件包括以下部分：T型熱電偶溫度傳感器，用于測量電機邊段鐵心以及壓緊板等端部關鍵部位結(jié)構(gòu)件表面的溫度值，防止溫度過高；測磁線圈，用來測量相同部位的磁感應強度；NI CompactRIO嵌入式測控平臺用于采集T型熱電偶溫度傳感器和測磁線圈的輸出信號；上位監(jiān)測計算機，用于運行系統(tǒng)監(jiān)測軟件及專家分析系統(tǒng)軟件。汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

1.1 T型熱電偶溫度傳感器

汽輪發(fā)電機的端部鐵心、邊段鐵心以及壓緊結(jié)構(gòu)件表面等部位的溫度值反映了電機的運行狀況，因此電機端部及其結(jié)構(gòu)件磁感應強度和溫度是需要重點監(jiān)測的參數(shù)。本文所述系統(tǒng)中采用T型熱電偶作為測溫元件，T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，溫度近似線性和復制性好，傳熱快，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點。T型熱電偶在-200°C~400°C的被測溫度范圍內(nèi)具有較高的精度。系統(tǒng)中把熱電偶與測磁線圈固定到一起，用環(huán)氧樹脂膠粘到監(jiān)測點上。汽輪發(fā)電機端部測點布置圖如圖2所示。

1.2 磁感應強度測量線圈

測磁線圈是由支撐骨架及幾十到數(shù)百匝纏繞在支撐骨架上的漆包線組成，支撐骨架用環(huán)氧玻璃布板加工制成，呈工字形，線圈輸出電壓大小與線圈的匝數(shù)和磁感應強度的大小有關。通過標定，可得到測磁線圈輸出電壓與磁感應強度的函數(shù)關系。系統(tǒng)通過測量測磁線圈的輸出電壓有效值，可以計算出相應部位的磁感應強度，以判斷磁場分布是否合理，保證電機的安全運行，為端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供依據(jù)。

圖2 汽輪發(fā)電機端部測點布置圖

1.3 NI CompactRIO嵌入式測控平臺

NI CompactRIO嵌入式測控平臺是美國NI公司生產(chǎn)的小巧而堅固的工業(yè)化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用可重配置的I/O（reconfigurable I/O，簡稱CRIO系統(tǒng)）和FPGA技術(shù)實現(xiàn)超高性能和可自定義功能。它以LabVIEW FPGA和LabVIEW實時技術(shù)為核心，由一個實時控制器、內(nèi)置可重新配置FPGA芯片的堅固機箱和可熱插拔的工業(yè)級 C系列I/O模塊組成，是一款專為高性能測控應用及高可靠性需求而設計的應用平臺[1]。

在本系統(tǒng)中，可重配置機箱選用cRIO-9113,它具有3M的FPGA門，4個I/O模塊插槽，因此最多可以配4個不同功能的I/O模塊；控制器選用cRIO-9124，它帶有800MHz的處理器，512MB的內(nèi)存，4GB的非遺失性存儲器，并通過以太網(wǎng)與上位計算機進行信息交換，由上位計算機通過監(jiān)測軟件操縱控制器使用LabVIEW Real-Time系統(tǒng)軟件控制測控平臺進行實時數(shù)據(jù)采集；NI9205為模擬輸入模塊，此模塊為16位16路差分輸入電壓采集模塊，采樣率為250kS/s，用于測量測磁線圈的輸出電壓；NI9213為熱電偶輸入模塊，此模塊為24位16路輸入，采樣率為1200S/s。用2塊NI9213模塊2塊NI9205可以構(gòu)成最大32點溫度和32點磁感應強度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.4 上位監(jiān)測計算機

上位監(jiān)測計算機使用工業(yè)控制計算機，運行在LabVIEW軟件平臺上編制的系統(tǒng)監(jiān)測軟件，在系統(tǒng)監(jiān)測軟件中嵌入了專家分析系統(tǒng)。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件

汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件包括兩部分：系統(tǒng)監(jiān)測軟件和CRIO嵌入式測控平臺的Real-Time數(shù)據(jù)采集傳輸軟件。整個軟件系統(tǒng)是在LabVIEW軟件平臺上編制的。

LabVIEW是由美國NI公司研制開發(fā)的具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，它的應用范圍已經(jīng)覆蓋了工業(yè)自動化、測試測量、嵌入式應用、運動控制、圖像處理、計算機仿真、FPGA等眾多領域。以LabVIEW為核心，采用不同的專用工具包，統(tǒng)一的圖形編程方式，可以實現(xiàn)不同技術(shù)領域的需求[2]。

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測軟件

系統(tǒng)監(jiān)測軟件操縱上位計算機通過以太網(wǎng)完成與CompactRIO嵌入式測控平臺的信息交換，實現(xiàn)以下功能：（1）控制CRIO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度；（2）接受CRIO系統(tǒng)傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)并對接收的數(shù)據(jù)進行處理；（3）顯示汽輪發(fā)電機端部磁場強度和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線；（4）運用ADO技術(shù)完成測試數(shù)據(jù)在 LabVIEW與Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫之間的動態(tài)傳輸，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期保存[3]；（5）通過嵌入其中的專家分析系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行分析，并與專家系統(tǒng)中的設定值進行比較，做出電機工作正常、預警、危險等各種提示。系統(tǒng)監(jiān)測軟件主界面如圖3所示。

2.2 NI CompactRIO嵌入式測控平臺軟件

CRIO系統(tǒng)的硬件部分包括控制器、CRIO機箱和C系列模塊。通過CRIO系統(tǒng)軟件的運行，F(xiàn)PGA負責控制C系列模塊的信號采集、輸入/輸出控制，把采集的數(shù)據(jù)傳入實時操作系統(tǒng)；控制器實時操作系統(tǒng)負責大量數(shù)據(jù)的存儲、分析等功能，并實現(xiàn)與FPGA以及上位計算機之間的信息交換。CRIO軟件系統(tǒng)編程包括FPGA、RT控制器和Real-Time的圖形接口三部分。CRIO軟件系統(tǒng)用于磁感應強度數(shù)據(jù)采集的程序框圖如圖4所示。

3 結(jié)束語

本文論述的汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在HEC制造的某臺大型汽輪發(fā)電機的出廠前型式試驗中進行了應用試驗。結(jié)果表明此系統(tǒng)性能可靠，測點多，數(shù)據(jù)采集快速準確。上位監(jiān)測計算機的監(jiān)測軟件界面友好，功能強，專家分析系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)的計算分析準確可信，可以保證發(fā)電機組的安全運行。

圖3 汽輪發(fā)電機端部磁場和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)測控軟件主界面

圖4 CRIO系統(tǒng)用于磁感應強度數(shù)據(jù)采集的程序框圖

[1] 聚星儀器. NICompactRIO平臺配置指導及用戶方案[K]. NATIONAL INSTRUMENT, 2012.

[2] 陳樹學, 劉萱. LabVIEW寶典[M]. 電子工業(yè)出版社, 2011, 3.

[3] 畢純輝, 王雪健, 孫凱, 等. 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風道智能檢驗分析系統(tǒng)[J]. 大電機技術(shù), 2013, (4).

The Online Monitoring System of Flux Density and Temperature in the End-Region of Turbogenerators

BI Chunhui, SUN Kai, WANG Tao, LI Shuyu

（Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China）

To ensure safe operation of the turbogenerator, the distribution of flux density and temperature in the end region is detected. Thus, the online monitoring system of flux density and temperature in the turbogenerator end-region are developed. The system in which the transducer technology and auto–controlled technology are used can acquire and process data of flux density and temperature in turbogenerators end-region automatically, and give instructions of normal, warning or danger for the operation of the turbogenerator through the calculation and analysis by the expert system. The test results indicate that the system is highly automatic, convenient and well precise, and it meets the requirement of operation on site.

turbogenerators end-region; online monitoring; CompactRIO system; LabVIEW

TM311

A

1000-3983(2014)01-0006-04

國家科技重大專項（2009ZX06004-013-04-01）

2013-07-26

畢純輝（1964-），1987年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學檢測技術(shù)及儀器專業(yè)，2001年獲哈爾濱工業(yè)大學儀器儀表工程碩士學位，現(xiàn)從事電機檢測技術(shù)及在線監(jiān)測技術(shù)研究，高級工程師。

審稿人：劉 瑩