轉(zhuǎn)子磁極直接接觸式溫升測(cè)量方法研究

曹　波，楊　斌

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠(chǎng)，浙江杭州311600）

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轉(zhuǎn)子磁極直接接觸式溫升測(cè)量方法研究

曹波，楊斌

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠(chǎng)，浙江杭州311600）

摘要：轉(zhuǎn)子磁極是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件，其溫升也是機(jī)組性能的一個(gè)重要指標(biāo)。目前測(cè)量磁極溫升的傳統(tǒng)方法是采用電壓電流法，而本文介紹了一種新型直接接觸的方法進(jìn)行磁極測(cè)溫，并取得了一定的研究成果。

關(guān)鍵詞：直接接觸；磁極；溫升

1　引言

轉(zhuǎn)子磁極是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件，是產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)，其溫升也是機(jī)組性能的一個(gè)重要指標(biāo)，一直以來(lái)備受關(guān)注。轉(zhuǎn)子磁極做為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，一般無(wú)法直接測(cè)溫。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于磁極溫度的測(cè)量，一般是采用傳統(tǒng)的方法，即電壓電流法，這是一種間接的方法，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極的電壓和電流，計(jì)算得出磁極的電阻，進(jìn)而推算其溫度。

電壓電流法較為傳統(tǒng)，也有一定的局限性和片面性。電壓電流法測(cè)量的是整個(gè)磁極繞組的電壓和電流，計(jì)算得出的也是整體電阻，這種方法確定的只是整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組的平均溫升，無(wú)法反應(yīng)特定區(qū)域的情況。

本文介紹一種轉(zhuǎn)子磁極直接接觸式溫升測(cè)量的方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)直接法），這種方法在磁極繞組銅排上埋設(shè)鉑電阻，并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳遞溫升，記錄在錄波裝置內(nèi)，其測(cè)量數(shù)據(jù)量較多，能反映不同區(qū)域的溫度，對(duì)于溫升評(píng)估及學(xué)術(shù)研究具有積極的意義。

2　項(xiàng)目研究背景及原理介紹

2.1項(xiàng)目研究背景

新安江電廠(chǎng)6號(hào)機(jī)組原轉(zhuǎn)子磁極存在溫升偏高的問(wèn)題，其主要原因是磁極繞組銅排型式為矩形銅排，不利于散熱，為解決這一問(wèn)題，2013年至2014年電廠(chǎng)進(jìn)行了磁極改造，更換了全部40只磁極，新型的磁極繞組采用帶散熱翅的異型銅排，通風(fēng)散熱效果大大改善，轉(zhuǎn)子溫升大幅度下降。

在本次磁極改造中，為了詳細(xì)地了解磁極繞組的溫升情況，掌握磁極不同位置的溫升情況，電廠(chǎng)開(kāi)發(fā)出一種磁極直接測(cè)溫方法，結(jié)合磁極改造，進(jìn)行了溫升測(cè)量試驗(yàn)。

2.2原理介紹

轉(zhuǎn)子磁極直接測(cè)溫最大的難題在于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部件，測(cè)溫元件無(wú)法與其直接接觸，國(guó)內(nèi)曾出現(xiàn)過(guò)紅外測(cè)溫的方式，在固定部件上安裝探頭，通過(guò)紅外線(xiàn)的方式探測(cè)磁極溫度，但準(zhǔn)確度不高。在常規(guī)思維里，測(cè)溫記錄裝置總是在機(jī)組外部的，而現(xiàn)在最大的難題在于轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件的接口問(wèn)題，但我們?nèi)绻蚱瞥Ｒ?guī)，從另一個(gè)角度思考，可以讓記錄裝置和轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，那么相對(duì)轉(zhuǎn)子磁極，記錄裝置就是靜止的，不需再考慮旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題了。

根據(jù)這一理念，我們開(kāi)發(fā)出了直接法測(cè)溫裝置，其工作原理為：在繞組銅排內(nèi)埋設(shè)鉑電阻，電阻通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和記錄裝置相連，溫度實(shí)時(shí)記錄在記錄裝置內(nèi)，而記錄裝置則放置在轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)，完成一次測(cè)溫試驗(yàn)后，將記錄儀取下，通過(guò)優(yōu)盤(pán)讀取記錄儀中數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入電腦，直觀顯示轉(zhuǎn)子磁極溫度。

新安江電廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的直接法測(cè)溫裝置共有三個(gè)核心模塊，即測(cè)溫裝置、測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)、記錄裝置。

3　測(cè)量裝置

選取2只磁極做為試驗(yàn)磁極，安裝測(cè)量裝置，每個(gè)磁極上布置6個(gè)PT100電阻，電阻標(biāo)準(zhǔn)按IEC751B級(jí)，電阻測(cè)量溫度范圍0～155℃，測(cè)量精度±1℃。

3.1電阻安裝布局

電阻通過(guò)埋設(shè)法安裝于磁極繞組銅排內(nèi)部，分6處安放，分別位于磁極頭部中間處、磁極尾部中間處、磁極側(cè)面中間處（2個(gè)）、磁極側(cè)面上中處、磁極側(cè)面下中處。

3.2電阻埋設(shè)

在磁極繞組銅排處，開(kāi)2.5mm深的凹槽，長(zhǎng)80mm，寬15 mm，PT100埋設(shè)于內(nèi)，間隙采用室溫固化膠填充，并不得高于銅排表面，具體見(jiàn)圖1。

圖1　測(cè)溫電阻埋設(shè)圖

4　測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)

4.1測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)的性能

測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)起著連接的作用，每個(gè)電阻都有一個(gè)專(zhuān)用的測(cè)溫傳遞導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)一頭連接著測(cè)溫電阻，一頭接入溫度記錄儀，將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞出去。測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)芯線(xiàn)型式為3根玻璃絲銅絞線(xiàn)，芯線(xiàn)材料為鍍錫銅線(xiàn)，絕緣護(hù)套材料為聚全氟乙丙烯。芯線(xiàn)結(jié)構(gòu)為n×0.2 mm，截面積為0.25 mm2。在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上工作，安全性和可靠性非常重要，應(yīng)能承受一定的高電壓、拉力和高溫。經(jīng)過(guò)測(cè)試，測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)可進(jìn)行1kV交流電耐壓1 min，熱電阻完好無(wú)損，在160 N的拉力下，導(dǎo)線(xiàn)無(wú)變形，其工作溫度也在-100～+180℃之間，完全滿(mǎn)足測(cè)溫要求。

4.2測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)的布局

測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)沿磁極背板鋪設(shè)，每隔一段采用扁鐵固定，扁鐵與磁極背板電焊固定，具體見(jiàn)圖2，現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3。

5　記錄裝置

記錄裝置由測(cè)溫記錄儀、采集箱、電池、蓋板等組成。記錄裝置安放在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，并安裝牢固，隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)記錄轉(zhuǎn)子磁極溫度。記錄裝置共2套，每套負(fù)責(zé)記錄一只試驗(yàn)磁極的溫升數(shù)據(jù)。測(cè)溫記錄儀選用專(zhuān)用無(wú)紙記錄儀，采樣周期選30 s（可調(diào)節(jié)），與傳統(tǒng)的電壓電流法每30 min一個(gè)點(diǎn)相比，數(shù)據(jù)量大大增加，數(shù)據(jù)更有指導(dǎo)意義。

圖2　測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)布線(xiàn)圖及固定圖

圖3　試驗(yàn)磁極及測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)照片

5.1測(cè)溫記錄儀的性能

測(cè)溫記錄儀在發(fā)電機(jī)內(nèi)部工作，需具備良好的性能，否則會(huì)給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。專(zhuān)用無(wú)紙記錄儀具備如下性能：高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境、高溫環(huán)境下，可真實(shí)記錄數(shù)據(jù)；采樣頻率高，可在1s、2s、5 s、10 s、15 s、30 s、1 min、2 min、4 min選擇；采樣時(shí)間長(zhǎng)，按每30 s一組數(shù)據(jù)，可采樣120 d；備數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，支持USB2.0協(xié)議，支持優(yōu)盤(pán)容量2GB。記錄儀由24 V直流電源（由干電池并聯(lián)組成）供電。在新安江電廠(chǎng)實(shí)際測(cè)溫試驗(yàn)中，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10個(gè)h，記錄儀一直安全可靠工作。

5.2測(cè)溫記錄儀的安裝

為固定記錄裝置，并且保證對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)不受影響，特制了一個(gè)采集箱，用于安裝記錄儀，采集箱由6 mm不銹鋼板焊接而成，為箱型，測(cè)溫記錄儀和電池放置在采集箱內(nèi)。采集箱焊接在轉(zhuǎn)子輪臂孔內(nèi)。其上有上蓋板，側(cè)面有側(cè)蓋板，上蓋板和側(cè)蓋板通過(guò)螺栓與采集箱連接，為方便散熱，在測(cè)溫采集箱上蓋板上加工有5只φ30的通氣孔。

6　直接法測(cè)量結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確度

新安江電廠(chǎng)2013年進(jìn)行了直接法測(cè)溫的試驗(yàn)，試驗(yàn)非常成功。為了驗(yàn)證直接法測(cè)溫的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了兩次比較，一是和電壓電流法比較，這是比平均值，考察直接法測(cè)量的可信度，二是和理論計(jì)算相比較，新安江電廠(chǎng)6號(hào)機(jī)磁極改造前，由磁極設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了溫升計(jì)算，不僅對(duì)整體溫升有過(guò)理論計(jì)算，而且對(duì)磁極的各個(gè)部位的溫升情況也進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)比較每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度和理論計(jì)算值，可以判斷直接法測(cè)溫的準(zhǔn)確度。

6.1直接法與電壓電流法平均溫度對(duì)比

在進(jìn)行直接法測(cè)溫試驗(yàn)的同時(shí)，新安江電廠(chǎng)也進(jìn)行了電壓電流法的試驗(yàn)，并對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。直接法測(cè)量轉(zhuǎn)子溫度，每30 s一個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)量非常龐大，但電壓電流法30 min一組數(shù)據(jù)，總共只測(cè)13組數(shù)據(jù)。為便于比較，將直接法中同一時(shí)間（按照電壓電流法的時(shí)間）的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，得到如下對(duì)比表1。由于直接法測(cè)溫共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，數(shù)值存在區(qū)別，因此，比較結(jié)果采用2只測(cè)溫磁極12個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的算數(shù)平均值。

表1　直接法與電壓電流法平均溫度對(duì)比　單位：℃

從表1可以看出，電壓電流法和直接法測(cè)出的溫度數(shù)據(jù)差別不是太大，每組數(shù)據(jù)都在10℃以?xún)?nèi)，溫度變化趨勢(shì)完全一致，即每組數(shù)據(jù)都是電壓電流法數(shù)值比直接法數(shù)值大，具體可見(jiàn)圖4。

直接法和電壓電流法的溫度數(shù)值存在差別，差值為6～10℃，原因是電壓電流法考察的是整個(gè)勵(lì)磁繞組的電阻變化，是一個(gè)綜合的評(píng)估，而直接法測(cè)溫得到的數(shù)據(jù)，我們進(jìn)行了算術(shù)平均，而實(shí)際上磁極繞組的溫度分布并不是均勻的，所以導(dǎo)致的差別的存在。但從溫度趨勢(shì)上看，兩種方法幾乎完全一致，因此直接法測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極溫度數(shù)據(jù)是可信的，對(duì)于評(píng)估轉(zhuǎn)子磁極溫升情況具有學(xué)術(shù)意義的。

圖4　直接法和電壓電流法測(cè)溫結(jié)果對(duì)比圖

6.2直接法測(cè)量結(jié)果和理論結(jié)算的比較

前文我們對(duì)兩種磁極測(cè)溫方法的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了比較，得出了直接法測(cè)溫是可信的，那么他能否真實(shí)反映磁極不同部位的溫度情況呢，我們將測(cè)量結(jié)果與磁極溫升理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖5根據(jù)磁極繞組溫度場(chǎng)計(jì)算得出的磁極繞組溫度分布云圖，從磁極長(zhǎng)度方向的中部作了一個(gè)切面，根據(jù)理論計(jì)算，磁極繞組不同部位的溫度存在差別，溫度高低排序依次為：背風(fēng)側(cè)中部、背風(fēng)側(cè)中上（下）部、端部、迎風(fēng)側(cè)中上（下）部、迎風(fēng)側(cè)中部。

圖5　磁極繞組溫度分布云圖

在直接法測(cè)溫試驗(yàn)中，每個(gè)磁極共設(shè)置6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，兩端部（頂部和下部）各1個(gè)，中部?jī)蓚?cè)各1個(gè)，中下部?jī)蓚?cè)各1個(gè)。編號(hào)為：迎風(fēng)側(cè)中下部1號(hào)、迎風(fēng)側(cè)中部2號(hào)、頂部3號(hào)、背風(fēng)側(cè)中部4號(hào)、背風(fēng)側(cè)中下部5號(hào)、下部6號(hào)。直接法測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6　直接法測(cè)溫?cái)?shù)值趨勢(shì)圖

從測(cè)溫圖上可以看出，溫度高低依次為4號(hào)點(diǎn)、5號(hào)點(diǎn)、6號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)、1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)，即背風(fēng)側(cè)中部、背風(fēng)側(cè)中下部、下部、頂部、迎風(fēng)側(cè)中下部、迎風(fēng)側(cè)中部，與理論計(jì)算完全一致，據(jù)此可以推斷，直接法測(cè)溫可以反映磁極繞組不同區(qū)域的溫度。

7　結(jié)束語(yǔ)及展望

磁極繞組溫升是發(fā)電機(jī)一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，意義重大，控制溫升可以降低絕緣老化損傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)組的安全性，延長(zhǎng)使用壽命。采用直接法測(cè)量磁極溫升，可以得出大量數(shù)據(jù)樣本，對(duì)于科學(xué)分析的意義更大，因?yàn)槭侵苯咏佑|繞組，與電壓電流法相比更有真實(shí)性，更能反映真實(shí)情況。另外直接法測(cè)溫能反映不同區(qū)域的溫度，其最高溫度點(diǎn)實(shí)際意義更大，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域的溫度對(duì)于繞組絕緣的影響起到?jīng)Q定性的作用。

這種直接測(cè)量方法投入成本低，安裝也較為方便，操作比較簡(jiǎn)易，在大多數(shù)電廠(chǎng)都可以實(shí)現(xiàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能真實(shí)反映轉(zhuǎn)子磁極的溫升，值得同行業(yè)借鑒和推廣。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳錫芳.水輪發(fā)電機(jī)電磁與計(jì)算[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：曹波（1984-），男，工程師，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-12-08

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.020

中圖分類(lèi)號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）04-0060-04