水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測溫新方法

趙小丹++程興智++龍?jiān)獎(jiǎng)?/p>

摘 要：水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度測量問題一直是困擾水力發(fā)電系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)人員的一大難題，傳統(tǒng)的測溫方法只能測量轉(zhuǎn)子繞組的平均溫度，不能測量每個(gè)磁極各部的溫度，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子各部的溫度變化情況，已無法滿足正常的運(yùn)行要求。新型的紅外光電測溫法，采用非接觸紅外線測溫技術(shù)，成功的解決了以上問題，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子各部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，準(zhǔn)確掌握轉(zhuǎn)子各部溫度的變化情況，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 伏安法 紅外光電測溫法 紅外傳感器

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（c）-0008-02

云峰發(fā)電廠位于鴨綠江中上游的吉林省集安市青石鎮(zhèn)，是中朝兩國在鴨綠江界河上合資興建、共同受益、中方管理的大型水力發(fā)電工程。全廠共裝水輪發(fā)電機(jī)組4臺(tái)，單機(jī)容量11.5萬kW，總裝機(jī)容量為46萬kW，其中1、3號(hào)機(jī)組向中方50 Hz系統(tǒng)供電，2、4號(hào)機(jī)組向朝鮮60 Hz系統(tǒng)供電。4臺(tái)機(jī)組自投運(yùn)以來，已連續(xù)運(yùn)行46年。

水輪發(fā)電機(jī)組主要有水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器及其它輔助設(shè)備組成。發(fā)電機(jī)主要有定子、轉(zhuǎn)子等組成。水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由于需要施加較大的勵(lì)磁功率，因此就變成了一個(gè)大的發(fā)熱體，其溫度的持續(xù)升高，直接影響水輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，因此必需對(duì)其溫度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。多年來水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度測量問題一直是困擾水力發(fā)電系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)人員的一大難題，傳統(tǒng)的測溫方法（伏安法）只能測量轉(zhuǎn)子繞組的平均溫度，不能測量每個(gè)磁極的各部溫度，用傳統(tǒng)的方法檢測轉(zhuǎn)子的溫度費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且此溫度值是整個(gè)繞組的平均溫度，無法確定每個(gè)磁極繞組的溫度、每個(gè)繞組各部的溫度、磁極鐵心的溫度等等。事實(shí)上每個(gè)繞組和繞組各部的溫度是不完全一樣的，每個(gè)磁極鐵心的溫度和鐵芯各部的溫度也是不一樣的，要想更確切地了解轉(zhuǎn)子各部具體的溫度值，傳統(tǒng)的檢測方法是無法滿足要求的。還有一種方法就是在轉(zhuǎn)子本體上安裝測溫裝置，然后在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中用光電的方法傳遞給固定部分，這種方法對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡會(huì)產(chǎn)生影響，使轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)。因此，探究一種新的溫度檢測方法以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，是一個(gè)十分迫切的任務(wù)。

為了解決上述問題，經(jīng)過認(rèn)真的研究分析，提出了一種新型的轉(zhuǎn)子測溫方法--紅外光電測溫法。即采用非接觸紅外線測溫技術(shù)，測量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子繞組和鐵芯各部的溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)控各部的溫度變化情況，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 云峰發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組概況

云峰發(fā)電廠共有4臺(tái)立式發(fā)電機(jī)組，4臺(tái)發(fā)電機(jī)的型號(hào)均為TS854/210-40，額定容量為115 MW，額定定子電壓13.8 kV，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，轉(zhuǎn)子電壓DC385 V，額定轉(zhuǎn)子電流1300 A，轉(zhuǎn)子電流密度2.05 A/mm2，轉(zhuǎn)子重量530t，轉(zhuǎn)子直徑Φ7.8 m，轉(zhuǎn)子高度3.12 m，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)40個(gè)，轉(zhuǎn)子磁極寬度57 cm，轉(zhuǎn)子磁極高度2.4 m，轉(zhuǎn)子磁極厚度46.5 cm，每個(gè)磁極重量3.3 t，磁極線匝數(shù)30匝，每匝平均長度520 cm，磁極銅線尺寸8×76/68，磁極線圈阻0.2042 Ω，轉(zhuǎn)子最高允許溫度130 ℃，溫升95 ℃，冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷。

2 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子溫度測量方法

由于發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過程中，轉(zhuǎn)子在不斷地旋轉(zhuǎn)，因此用測量定子溫度的方法去測量轉(zhuǎn)子的溫度是不可行的，只能用“伏安法”來測量轉(zhuǎn)子的平均溫度。即用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩端的直流電壓和轉(zhuǎn)子中流過的電流，根據(jù)歐姆定律先計(jì)算出某一時(shí)刻轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻，由于轉(zhuǎn)子繞組是由銅導(dǎo)線繞制而成的，當(dāng)溫度變化時(shí)其電阻也隨之發(fā)生變化。根據(jù)下列公式便可算出轉(zhuǎn)子繞組的平均溫度。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子溫度測量是根據(jù)下式計(jì)算得到。

T=235（℃）

式中：R15----轉(zhuǎn)子15℃時(shí)的電阻值。

1號(hào)機(jī)：R1F15=0.1891Ω

2號(hào)機(jī)：R2F15=0.1667Ω

3號(hào)機(jī)：R3F15=0.1878Ω

4號(hào)機(jī)：R4F15=0.191Ω

Rt-----為計(jì)算值。即Rt=（Ω）

U轉(zhuǎn)子---運(yùn)行中測得的轉(zhuǎn)子電壓，單位為伏（V）

I轉(zhuǎn)子---運(yùn)行中測得的轉(zhuǎn)子電流，單位為安（I）

3 紅外光電測溫的原理

3.1 紅外光電測溫系統(tǒng)的原理概述

在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度。紅外測溫系統(tǒng)是通過接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來測量其表面溫度，測溫裝置的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示出來，其原理框圖見圖1。

紅外光電測溫系統(tǒng)由紅外線光電探測部件、信號(hào)放大及轉(zhuǎn)換、數(shù)字過濾波及抗干擾、信號(hào)處理及運(yùn)算、現(xiàn)地顯示及報(bào)警輸出、上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫系統(tǒng)的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

測溫系統(tǒng)在線檢測發(fā)熱點(diǎn)的溫度，通過掃描，還可以繪出每個(gè)磁極溫度分布圖，而且靈敏度高，不受電磁場干擾，便于現(xiàn)場使用。它可以在-20～2000℃的寬量程內(nèi)以0.05℃的高分辨率檢測電氣設(shè)備的熱致故障和電氣設(shè)備中的局部過熱點(diǎn)等等。

3.2 測溫系統(tǒng)光電傳感器的布置

紅外傳感器1（HW1）布置在轉(zhuǎn)子的上端，對(duì)準(zhǔn)磁極繞組的上端邊，用來測量磁極繞組上端的溫度。距離被測體20 cm。

紅外傳感器2（HW2）布置在轉(zhuǎn)子的下端，對(duì)準(zhǔn)磁極繞組的下端邊，用來測量磁極繞組下端的溫度。距離被測體20 cm。

紅外傳感器3（HW3）布置在轉(zhuǎn)子的下端，斜對(duì)準(zhǔn)磁極繞組的一個(gè)側(cè)邊，用來測量磁極繞組側(cè)邊的溫度。距離被測體1200 cm。

紅外傳感器4（HW4）布置在轉(zhuǎn)子的下端，斜對(duì)準(zhǔn)磁極繞組的另一個(gè)側(cè)邊，用來測量磁極繞組側(cè)邊的溫度。距離被測體1200 cm。

紅外傳感器5（HW5）布置在轉(zhuǎn)子的上端，對(duì)準(zhǔn)磁極鐵芯的正面，用來測量磁極鐵芯的溫度。距離被測體40 cm。

紅外傳感器6（HW6）布置在轉(zhuǎn)子的上端，對(duì)準(zhǔn)磁軛上平面，用來測量磁極軛的溫度。距離被測體20 cm。

3.3 系統(tǒng)達(dá)到的指標(biāo)

光纖探頭可在160℃的環(huán)境長期工作；測溫范圍：-32～400℃；基本誤差：0.5（± 0.5%）；測頭尺寸：φ14×80 mm；距離系數(shù)：50：1；測量距離：0.2～3 m；可測最小目標(biāo)：φ6；響應(yīng)時(shí)間：小于10 ms；溫度分辨率：0.5℃；測量精度：滿量程的±0.5%；重復(fù)精度：±0.2；光纖長度：最長10 m；模擬輸出：0～5VDC，4～20 mA；工作電源：±12VDC；工作環(huán)境：探頭小于160℃；信號(hào)處理單元小于60℃；相對(duì)濕度：30℃時(shí)10%～95%；響應(yīng)光譜：7～18 micron；發(fā)射率：0.95 Preset；重量：0.7 kg。

4 結(jié)語

紅外光電測溫法很好地解決了水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度測量問題，與傳統(tǒng)的測溫方法相比，紅外光電測溫法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)磁極繞組、每個(gè)繞組各部以及磁極鐵芯溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以準(zhǔn)確掌握各部件的溫度變化情況，從而掌握機(jī)組的運(yùn)行情況，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。且安裝簡單，可操作性強(qiáng)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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