光纖測(cè)溫技術(shù)在封閉式發(fā)電機(jī)定子的應(yīng)用

錢(qián) 程，謝澍宇，劉 禹

（1.五凌電力有限公司株溪口水電廠，湖南 益陽(yáng) 413500；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

株溪口水電站位于湖南安化縣境內(nèi)，是資水流域規(guī)劃的第八個(gè)梯級(jí)電站。全廠共裝有4臺(tái)單機(jī)18.5 MW的燈泡貫流式機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFWG18.5-64/6400，于2008年投運(yùn)。發(fā)電機(jī)定子測(cè)溫采用預(yù)埋鉑電阻元件實(shí)現(xiàn)，即在機(jī)組定子線棒裝配階段預(yù)埋在定子鐵心與定子槽內(nèi)，經(jīng)十余年的運(yùn)行，其中部分鉑電阻測(cè)溫元件已經(jīng)損壞，不能正常測(cè)量與運(yùn)行。定子鐵心、定子線棒、匯流環(huán)等重要部件完全處于無(wú)監(jiān)測(cè)狀況，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)很大。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，2號(hào)發(fā)電機(jī)定子繞組共計(jì)18個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，其中8個(gè)測(cè)溫探頭已經(jīng)完全損壞，不具備測(cè)溫功能，且失效溫度探頭呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。

為了使株溪口電廠定子線棒溫度可監(jiān)可控，必須對(duì)定子線棒增加測(cè)溫元件，確保發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。對(duì)定子進(jìn)行解體更換常規(guī)測(cè)溫元件，工程投入大，施工周期長(zhǎng)。測(cè)溫元件主要考慮鉑電阻測(cè)溫、光纖測(cè)溫、紅外測(cè)溫三種。電廠定子鐵心及線棒原有的測(cè)溫元件為鉑電阻，之后在定子繞組端部也加裝了鉑電阻傳感器，其優(yōu)點(diǎn)為價(jià)格實(shí)惠，缺點(diǎn)為易受電磁場(chǎng)干擾、易發(fā)生零點(diǎn)漂移、易受油污及高溫環(huán)境影響、需定期校驗(yàn)，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)故障率比較高，目前株溪口電廠測(cè)溫系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊接口不夠，需要增加兩個(gè)轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)備購(gòu)置、現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)控系統(tǒng)軟件配置及通信連接服務(wù)等。紅外測(cè)溫元件的安裝需要一定的空間，常規(guī)的紅外成像探頭尺寸為鉑電阻探頭尺寸的數(shù)倍，發(fā)電機(jī)定子風(fēng)洞內(nèi)空間位置狹窄，且有掉落風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)將危害機(jī)組的正常運(yùn)行，因此不適合安裝紅外測(cè)溫元件。光纖測(cè)溫元件具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度、高響應(yīng)速度、全絕緣、小尺寸、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，單個(gè)光纖探頭價(jià)格較鉑電阻探頭較貴，其配套的光信號(hào)調(diào)制解調(diào)設(shè)備價(jià)格合理，設(shè)備購(gòu)置、現(xiàn)場(chǎng)施工及與監(jiān)控系統(tǒng)通信服務(wù)等，整體價(jià)格較鉑電阻測(cè)溫元件略高。

經(jīng)過(guò)對(duì)比論證分析，將熒光式光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用在封閉式發(fā)電機(jī)定子中較為適合。首先將傳感器安裝在發(fā)電機(jī)定子線棒的端部表面，再通過(guò)定子繞組溫度場(chǎng)模型及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析定子繞組內(nèi)部溫度和表面溫度的關(guān)系，最后通過(guò)安裝在定子繞組表面的光纖探頭測(cè)量溫度推算定子繞組內(nèi)部溫度。

2 熒光式光纖溫度傳感原理及特性

熒光光纖溫度傳感的原理是利用熒光材料的溫度特性，由于熒光光纖測(cè)溫技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，且測(cè)溫系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)耐用，近年來(lái)成為光纖測(cè)溫領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。熒光式溫度傳感探頭具有抗電磁干擾、穩(wěn)定可靠、微小尺寸、高精度、長(zhǎng)壽命及絕緣性好等特點(diǎn)，它是利用磷化物的熒光輻射的溫度特性設(shè)計(jì)的：安置在光纖一端的微量稀土磷化合物，在受紫外脈沖光照射后激勵(lì)發(fā)熒光，熒光余輝時(shí)長(zhǎng)會(huì)隨溫度變化而變化，成為溫度的函數(shù)，從而計(jì)算出被測(cè)溫度。

根據(jù)對(duì)熒光信號(hào)處理方式的不同可將熒光溫度傳感器分為熒光強(qiáng)度型、熒光強(qiáng)度比型和熒光壽命型，本文熒光信號(hào)處理方式為熒光壽命型。

熒光式溫度傳感探頭是由普通多模光纖和在其頂部涂敷的熒光體組成。熒光體在受一定波長(zhǎng)的光激勵(lì)后，受激輻射出熒光能量。激勵(lì)消失后，熒光體發(fā)光的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性、環(huán)境溫度，以及激發(fā)狀態(tài)。這種受激熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，稱(chēng)衰減的時(shí)間常數(shù)為熒光壽命或熒光衰落時(shí)間(ns)。因?yàn)樵诓煌沫h(huán)境溫度下，熒光壽命也不同，通過(guò)測(cè)量熒光壽命的長(zhǎng)短，就可以得知當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度。

本文采用短脈沖光激發(fā)熒光體，形成的激發(fā)態(tài)熒光體隨時(shí)間而衰變，其衰變率為：

對(duì)式（1）進(jìn)行積分，得

式（3）可以寫(xiě)成

對(duì)于以指數(shù)形式衰變的單一熒光體，其發(fā)射強(qiáng)度F（t）和激發(fā)態(tài)群分子數(shù)N（t）成正比，即

如以N（t）或lgF（t）對(duì)時(shí)間作圖，可得如圖1所示曲線。熒光壽命可以看成熒光強(qiáng)度衰變到初始值的1/e所需的時(shí)間。對(duì)時(shí)間的曲線斜率為熒光壽命倒數(shù)的負(fù)值-1/τ。熒光壽命也可以理解為熒光物質(zhì)分子在激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均停留時(shí)間。事實(shí)上，當(dāng)熒光物質(zhì)被激發(fā)后，有些激發(fā)態(tài)分子立即返回基態(tài)，有的甚至可以延遲到5倍于熒光壽命時(shí)才返回基態(tài)，這樣就形成了實(shí)驗(yàn)測(cè)定的熒光強(qiáng)度衰減曲線。

圖1 脈沖熒光壽命測(cè)量圖解

研究證明，在不同的環(huán)境溫度下，熒光壽命也不同。熒光壽命與溫度的關(guān)系可用式（6）表示：

式中E、RE、RT、k、ΔE均為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

因此通過(guò)測(cè)量熒光壽命的長(zhǎng)短，就可以得知當(dāng)前的環(huán)境溫度。應(yīng)用這一方法，不需要對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行精確測(cè)量，只要熒光材料選擇得當(dāng)，溫度僅由熒光壽命這一本征參數(shù)確定。這種設(shè)計(jì)，一般來(lái)說(shuō)不受光源波動(dòng)的影響，這就降低了對(duì)控制光源穩(wěn)定的嚴(yán)格要求，也省去了比率測(cè)量處理的設(shè)計(jì)。這樣在光源電源的穩(wěn)壓控制上、在光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，它比強(qiáng)度型熒光光纖溫度傳感器的要求低了很多，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了性能。

3 熒光式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝

熒光式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的安裝包括：安裝光纖溫度探頭，安裝光纖測(cè)溫端子箱，鋪設(shè)電纜，連接光纖測(cè)溫解調(diào)器，檢查接線并上電調(diào)試等步驟。

3.1 光纖測(cè)溫傳感器的安裝

株溪口水電站定子繞組預(yù)埋的內(nèi)部傳感器18只，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，傳感器出現(xiàn)損壞的情況，且損壞數(shù)量逐年增加，其中2號(hào)機(jī)組損壞數(shù)量最多。本文以2號(hào)機(jī)組為例，在其定子繞組端部共設(shè)置27只熒光光纖測(cè)溫探頭，上述探頭沿定子繞組均勻分布。以位置鄰近的端部光纖探頭數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔以一定的推測(cè)方法，可以推測(cè)內(nèi)部傳感器的測(cè)量值。

水輪發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)為432槽，原有的18個(gè)鉑電阻（PT100）分別安裝在67、78、96、108、119、130、216、227、245、256、267、279、290、301、319、404、415、427槽上，其中測(cè)溫電阻損壞量超過(guò)1/3，新安裝的27個(gè)光纖測(cè)溫傳感器除了在原有18個(gè)槽內(nèi)定子繞組端部安裝傳感器外，還有9個(gè)傳感器分別安裝在4、13、22、141、153、171、182、193、204槽 上，將 溫 度探頭套入1.0 m的PP阻燃波紋管，在探頭ST頭與波紋管結(jié)合部位用玻璃絲帶加環(huán)氧膠包扎固定；將溫度探頭感溫端緊貼上層線棒端部絕緣層表面，用玻璃絲帶加環(huán)氧膠環(huán)繞捆扎固定；將尾纖沿著齒壓板進(jìn)行布線，并將其綁扎在定子機(jī)座上。如圖2所示為108槽光纖溫度傳感器安裝示例，A部位為定子實(shí)際槽號(hào)108，B部位為108槽上層線棒與其連接的下層線棒絕緣盒，C部位為與108槽上層線棒連接的下層線棒，即108槽探頭的實(shí)際安裝位置。

圖2 熒光式光纖溫度傳感器安裝位置（俯視圖）

3.2 光纖測(cè)溫端子箱及調(diào)解器的接入

在機(jī)組燈泡頭豎井旁的墻壁上安裝光纖測(cè)溫端子箱，將傳感器光纜引入測(cè)溫端子箱內(nèi)的光纖溫度解調(diào)器。光纖調(diào)制解調(diào)儀具備溫度保護(hù)組態(tài)及告警輸出功能，可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，解調(diào)儀將光纖光柵傳感器光信號(hào)最終計(jì)算為溫度值并傳輸至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

為了確保光纖測(cè)溫產(chǎn)品安裝過(guò)程的安全性，針對(duì)2號(hào)機(jī)定子繞組（單臺(tái)機(jī)組共計(jì)27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試。通電前首先需要確認(rèn)是否完全按照電氣圖紙進(jìn)行了接線；使用萬(wàn)用表蜂鳴器檔測(cè)試確認(rèn)接線有無(wú)短接、開(kāi)路等錯(cuò)誤；確認(rèn)供電電壓是否在解調(diào)器/顯控器要求的電壓等級(jí)范圍內(nèi)；通電時(shí)觀察解調(diào)器的LED指示燈狀態(tài)是否正常，如有異常立即斷電；現(xiàn)場(chǎng)可利用筆記本電腦測(cè)溫軟件進(jìn)行通信確認(rèn)，檢查多臺(tái)解調(diào)器組網(wǎng)/通信是否正常。經(jīng)過(guò)測(cè)試，2號(hào)機(jī)定子繞組光纖測(cè)溫共計(jì)27個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)指標(biāo)均在合格范圍內(nèi)。

3.3 注意事項(xiàng)

探頭可靠固定到設(shè)計(jì)的測(cè)量點(diǎn)；感溫面緊貼被測(cè)點(diǎn)的表面，探頭安裝到機(jī)組溫度監(jiān)測(cè)所設(shè)計(jì)的位置；探頭安裝點(diǎn)平整、牢靠；探頭外觀有用阻燃材料波紋管進(jìn)行保護(hù)；探頭布線捆扎牢靠，不可90°折彎。光纖布線整齊，兩端標(biāo)識(shí)清楚，全程套入PP阻燃波紋管保護(hù)，捆扎牢靠，無(wú)過(guò)度彎折情況。安裝穩(wěn)固牢靠，不影響豎井通道。走線規(guī)范整齊，沿電纜橋架鋪設(shè)。根據(jù)設(shè)計(jì)測(cè)溫點(diǎn)位序號(hào)對(duì)應(yīng)連接。利用標(biāo)準(zhǔn)PC測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的光路衰減值（Light Level）=3 000±5%，LED電流值（LED Current）＜1 000，溫度值在正常范圍。

4 光纖測(cè)溫系統(tǒng)在遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用

株溪口水電站2號(hào)機(jī)組的光纖測(cè)溫系統(tǒng)不僅接入了電站監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也接入了遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)上，以定子繞組外部環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)荷為邊界條件，建立定子繞組溫度修正值的二維數(shù)組，反映新增定子端部傳感器溫度和對(duì)應(yīng)的定子繞組原來(lái)探頭處的溫度差值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將此二維數(shù)組作為計(jì)算關(guān)系植入到發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，得到修正后中部傳感器溫度值。

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)及修正后的溫度數(shù)據(jù)均在遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)保存，修正后的數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)功能中展示。取2022年3月19日03:30～3月21日07：30修正的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（以1號(hào)測(cè)點(diǎn)為例）。如圖3所示，展示了上述時(shí)間段內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。圖中曲線表示的中部實(shí)際溫度、中部等效溫度、端部測(cè)試值、中部估算值定義如下：中部實(shí)際值是指正常測(cè)溫的原有中部鉑電阻探頭的測(cè)量值；中部等效值是指測(cè)溫失效的原有中部鉑電阻探頭，采用正常測(cè)溫的鉑電阻探頭的平均值代替其測(cè)量值；端部測(cè)試溫度是指安裝在定子繞組端部表面的光纖溫度探頭和鉑電阻溫度探頭。

由圖3可以看出，端部測(cè)試值、中部實(shí)際值（或中部等效值）、中部估算值的變化趨勢(shì)相同，中部實(shí)際值（或中部等效值）與中部估算值曲線基本重合，且溫度較高時(shí)曲線重合度高，溫度上升過(guò)程及溫度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)（如1號(hào)測(cè)點(diǎn)圖中標(biāo)記），曲線重合度受影響。

圖3 溫度變化趨勢(shì)圖（2022年3月19日03：30～21日07：30）

經(jīng)分析主要的原因?yàn)椋海?）熱傳導(dǎo)過(guò)程需要時(shí)間的累積。定子繞組為發(fā)熱源，定子內(nèi)部的熱量沿定子繞組向其端部擴(kuò)散。發(fā)電功率增大溫度上升時(shí)，端部溫度較內(nèi)部溫度上升有一定滯后，再加之程序修正本身的延遲，故采集端部光纖探頭溫度進(jìn)行估算的值偏低。（2）發(fā)電功率減小溫度下降時(shí)，定子繞組的冷卻風(fēng)機(jī)依然運(yùn)行，此時(shí)繞組內(nèi)部產(chǎn)生的熱量減少，此時(shí)端部溫度下降較為明顯，繞組內(nèi)部溫度相對(duì)端部下降慢，因此估算值較真實(shí)值偏低。（3）機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，定子繞組溫升更高，此時(shí)最容易發(fā)現(xiàn)定子繞組內(nèi)部存在的問(wèn)題，因此在制定修正方法時(shí)，首先考慮機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行情況。

表1統(tǒng) 計(jì) 了2022年3月19日03:30～21日07:30各個(gè)測(cè)點(diǎn)的中部估算值與中部實(shí)際值或中部等效值的誤差。主要的統(tǒng)計(jì)方式和方法，說(shuō)明如下：

表1 溫度測(cè)點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)

（1）每個(gè)測(cè)點(diǎn)的傳感器獨(dú)立統(tǒng)計(jì)，互不影響。

（2）剔除了導(dǎo)出的數(shù)據(jù)樣本中的異常數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計(jì)時(shí)不考慮這些時(shí)刻的值。

（3）平均誤差是所有有效樣本中估算值和實(shí)際（等效）值之差的算術(shù)平均值。

由于不同光纖安裝的位置不盡相同，其預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的偏差也不同。但總體上來(lái)看預(yù)測(cè)值和實(shí)際值相差較小，平均誤差小于0.75℃，滿(mǎn)足工程需要。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用先進(jìn)、準(zhǔn)確的熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)，融合溫度場(chǎng)仿真及歷史數(shù)據(jù)，研究了繞組的溫度監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警定位方法，為定子繞組的運(yùn)行狀態(tài)判別提供了參考。但仍可以從以下方面進(jìn)行提升，為下一步的研究工作提供參考。

（1）溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間有限，需結(jié)合加裝的27個(gè)光纖測(cè)溫探頭積累更多的數(shù)據(jù)量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升溫度預(yù)測(cè)的精確度。

（2）由于缺少故障數(shù)據(jù)，溫升相似性故障預(yù)警方法中閾值取值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，未能進(jìn)行驗(yàn)證，后續(xù)若有具體的故障數(shù)據(jù)，可以對(duì)上述閾值進(jìn)行修正。