抽蓄機組轉(zhuǎn)子磁極連接線無線測溫技術(shù)

文/王書華 韓釗 陳明 周霖軒

1 概述

抽水蓄能電站的發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極連接點在發(fā)電和抽水過程中會因震動導(dǎo)致接觸松動或接觸面較小帶來發(fā)熱現(xiàn)象，因生產(chǎn)過程中處于密閉環(huán)境且檢修周期較長，這樣給安全生產(chǎn)帶來隱患。如果出現(xiàn)類似情況不能及時發(fā)現(xiàn)，極容易引起短路、火災(zāi)、設(shè)備停運、甚至人員傷亡等安全事故，造成巨大的直接或間接經(jīng)濟損失。某電廠磁極連接點采用兩顆螺栓固定，有效搭接面積小，運行中受機組振動影響，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致連接處過熱燒損。某公司磁極連接線采用剛性連接，磁極連接線各部件裝配時由于修型矯正時引起連接線局部機械損傷，運行中由于振動、溫度、電磁力產(chǎn)生的變形產(chǎn)生裂紋，裂紋部位電阻增大，通流后熔斷放電拉弧。如果能提前在磁極連接線處部署溫度實時監(jiān)測手段，設(shè)備過熱情況就會提前預(yù)警，故障隱患就可以及時被發(fā)現(xiàn)，故障就會避免或?qū)p失降至最低。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，近年來電廠出現(xiàn)多起因發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極連接點處異常引起的生產(chǎn)事故，現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)還無法滿足該處的溫度監(jiān)測需求，因此成了監(jiān)測的盲區(qū)，早期的異常沒有及時處理，隨著時間推移故障程度越來越大，最終帶來的損失巨大。

因此，對發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極連接點的溫度進行在線監(jiān)測并及時排除隱患，越來越應(yīng)引起足夠的重視。由于抽蓄發(fā)電電動機內(nèi)部轉(zhuǎn)子磁極所處空間相對封閉，而且發(fā)電電動機運行時磁極是在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，目前國內(nèi)外還沒有有效的測溫解決手段。密閉空間溫度不能及時探知，即使是極小的故障也會隨著時間推移慢慢擴大，最終帶來重大的損失。

圖1

發(fā)電電動機是抽水蓄能電站最主要的設(shè)備，發(fā)電電動機的運行狀態(tài)將直接關(guān)系到企業(yè)安全生產(chǎn)。一旦設(shè)備發(fā)生內(nèi)部磁極溫度異常，并且沒有得到及時的發(fā)現(xiàn)和處理，最終帶來的損失將非常嚴(yán)重。雖然，已經(jīng)有企業(yè)設(shè)計出一些機組磁極連接線測溫裝置，也有科研工作者發(fā)表過一些相關(guān)設(shè)計性文章，但很多產(chǎn)品根本不適合在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境中使用，很多文章只是原理性描述，能否設(shè)計出符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品還與很多設(shè)計工藝有關(guān)。

鑒于此，筆者與相關(guān)電力科研人員進行了探討，并查閱了大量發(fā)電機組測溫相關(guān)技術(shù)資料及技術(shù)規(guī)范，同時，到電力設(shè)備環(huán)境進行了實地的考察，在此基礎(chǔ)上，對當(dāng)前機組磁極連接線溫度監(jiān)測情況進行了分析，對機組磁極連接線測溫裝置技術(shù)要求進行了論述，并結(jié)合實際工作，研究設(shè)計了基于傳感網(wǎng)技術(shù)的無線無源機組磁極連接線溫度監(jiān)測網(wǎng)。本文的論述，對與水電發(fā)電機組相關(guān)的工程技術(shù)人員具有重要的參考價值。

2 國內(nèi)外機組磁極連接線測溫情況

針對發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極測溫項目，國內(nèi)外有些機構(gòu)進行了研究開發(fā)，其技術(shù)路線大致包含以下幾種：間接測量法、有源無線測溫、紅外測溫法。間接測量法，此類方式只能計算設(shè)備正常狀態(tài)下的溫度；有源無線測溫法即在轉(zhuǎn)子磁極連接線部位加裝有源無線測溫傳感器，由于傳感器電池壽命限制，后期帶來的維護工作相當(dāng)麻煩，而紅外測溫技術(shù)是在定子部位加裝紅外探頭，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動探頭很難有效捕捉到異常發(fā)熱點，即使捕捉到也無法精確定位，因此適用性不強。

3 機組磁極連接線無線無源測溫技術(shù)簡介

抽蓄機組轉(zhuǎn)子磁極運行狀態(tài)監(jiān)測基于聲表面波（SAW）技術(shù)，該技術(shù)是一種在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，SAW傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。無線無源溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用SAW傳感器、智能化無線傳感網(wǎng)絡(luò)，適宜在高電壓、強磁場、高速轉(zhuǎn)動等惡劣環(huán)境參量的條件下運行?？捎脩舭l(fā)電電動機旋轉(zhuǎn)設(shè)別如轉(zhuǎn)子、磁極連接點、連接線等位置監(jiān)測。

無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)使用方便，替代了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)布線帶來的麻煩。無線數(shù)字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，使整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力。傳感器節(jié)點體積小巧，重量較輕，由感溫模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，全部模塊封裝在一個塑料或金屬外殼內(nèi)。采集的數(shù)據(jù)既可以實時傳輸至計算機，也可存儲在節(jié)點內(nèi)，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

基于聲表面波技術(shù)的測溫方式溫度信號在外部是以電磁波形式傳播，電磁波波速300000000m/s，溫度信號在傳感器內(nèi)部是以聲表面波形式傳播，聲表面波波速為3000m/s，從采集器發(fā)射掃描信號到溫度信號返回、解析完成一輪測溫過程只需要毫秒級的時間，能夠保證在發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動的過程中實時的抓取信號。

4 無線機組襲擊連接線溫度監(jiān)測設(shè)計方案

通過對機組設(shè)備測溫監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)以及電網(wǎng)設(shè)備物理環(huán)境的研究，結(jié)合無線無源傳感技術(shù)以及機組設(shè)備測溫需求，本文提出一種適合水電站發(fā)電機機組磁極連接線的無線無源溫度監(jiān)測設(shè)計方案。

圖2：轉(zhuǎn)子磁極測溫設(shè)備布局示意圖

圖3：轉(zhuǎn)子磁極測溫系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

一臺發(fā)電電動機組內(nèi)部有6對轉(zhuǎn)子磁極，每對磁極連接處有2個節(jié)點需要測溫，因此一臺機組有24個測溫點。傳感器工作需要附近的讀取天線來發(fā)射電磁掃描信號以及接收回波信號，因此讀取天線位置的選取較為關(guān)鍵，考慮到發(fā)電電動機設(shè)備內(nèi)部有較強電磁干擾，因此需要完善系統(tǒng)抗干擾處理機制。發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子設(shè)備高速轉(zhuǎn)動，要保證傳感器可靠的固定，因此需要特別設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)和固定方式。為了保證信號采集速度，需要升級讀取器的硬件，優(yōu)化軟件算法邏輯。

4.1 適合機組磁極連接線牢靠固定的傳感器結(jié)構(gòu)和天線的設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)傳感器安裝位置設(shè)計其結(jié)構(gòu)，傳感器是安裝在轉(zhuǎn)子磁極連接線處，連接線處采用螺栓連接，可靠的結(jié)構(gòu)和固定方式要保證設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)時傳感器能夠很好的固定。這需要做傳感器結(jié)構(gòu)、讀取天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究。因此考慮設(shè)計音叉式傳感器結(jié)構(gòu)，將傳感器嵌入在設(shè)備螺栓上固定，保證傳感器可靠固定，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 布局設(shè)計

由于發(fā)電電動機運行時轉(zhuǎn)子是在周期轉(zhuǎn)動，為了保證信號的良好覆蓋需要考慮讀取天線的布局設(shè)計。根據(jù)發(fā)電電動機組結(jié)構(gòu)考慮將天線固定在機組的支撐架上，為了保證各個方位的信號覆蓋，在發(fā)電電動機組的8個角度的支撐架上都放置讀取天線，讀取天線通過集中端口引入讀取器的天線輸入口中，讀取天線接收的信號在讀取器的天線輸入口進行匯集、從而保證無論傳感器轉(zhuǎn)到哪個位置都能準(zhǔn)確接收到溫度信號。圖2為轉(zhuǎn)子磁極測溫設(shè)備布局示意圖。圖3為轉(zhuǎn)子磁極測溫系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

4.3 通信設(shè)計

通信方式可選擇布設(shè)RS485通信線纜或者采用Zigbee無線組網(wǎng)的方式，根據(jù)現(xiàn)場情況，可通過發(fā)電電動機組自帶的通信線纜通道鋪設(shè)通信線路，通信線通過集線器形式在監(jiān)控終端進行集中，從而實現(xiàn)組網(wǎng)監(jiān)控。

4.4 信號的處理算法

接收信號即包含有用信號，也包含噪聲干擾。避免干擾對檢測結(jié)果的影響非常關(guān)鍵。這需要軟件算法上針對不同信號做分析處理，確定是否是有用信號。并對信號進行加權(quán)處理，保證得到正確的溫度。

5 總結(jié)

本文在充分研究機組磁極連接線運行環(huán)境、電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范以及目前測溫技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種無線無源機組磁極連接線溫度監(jiān)測網(wǎng)，該系統(tǒng)是無線傳感網(wǎng)在水電站的創(chuàng)新型應(yīng)用。文章主要對目前機組磁極連接線測溫技術(shù)進行了分析，在對機組磁極連接線環(huán)境進行了調(diào)研，對電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行了查閱，實際設(shè)計出一套符合水電站機組磁極連接線測溫規(guī)范要求的測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線遠程測溫，提高了在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和實用性，促進了發(fā)電機組設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)的發(fā)展。