李洪超

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

伴隨著我國水輪發(fā)電機(jī)幾十年的不斷發(fā)展與進(jìn)步，常規(guī)新建的水輪發(fā)電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)逐漸趨于優(yōu)異和穩(wěn)定，水輪發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)也日漸發(fā)展趨于成熟，因此越來越多的電站開始關(guān)注水輪發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)，以便對機(jī)組的健康狀況進(jìn)行有效地判斷，光纖測溫技術(shù)也開始受到了更多電站的關(guān)注[1-4]。

2 光纖測溫技術(shù)的發(fā)展

對于常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)來講，在定子上通常進(jìn)行在線監(jiān)測的位置包括定子繞組、定子鐵心以及定子端部壓指等，測溫方式采用鉑電阻溫度計(jì)Pt100 對被測位置進(jìn)行溫度在線監(jiān)測。但定子溫度計(jì)在初次安裝之后具有更換困難的特點(diǎn)，尤其是定子繞組溫度計(jì)。而鉑電阻溫度計(jì)在經(jīng)歷長期使用后，容易出現(xiàn)溫度計(jì)斷線、測量溫度漂移等問題，因此水輪發(fā)電機(jī)的定子在經(jīng)過多年運(yùn)行后很容易出現(xiàn)無法正常監(jiān)測實(shí)時溫度或監(jiān)測溫度不準(zhǔn)確的情況，對電站運(yùn)行造成很大困擾[5]。甚至一些運(yùn)行時間比較長的電站的所有定子電阻溫度計(jì)全部已無法使用，而且一定時間內(nèi)沒有更換溫度計(jì)的檢修周期，只能臨時采用在定子繞組等關(guān)鍵部件旁邊臨時增加外部溫度計(jì)測點(diǎn)的方式粗略地監(jiān)測定子溫度，監(jiān)測溫度的準(zhǔn)確性大幅度降低，還存在一定安全隱患。

近十幾年來，為解決上述問題，尤其是鉑電阻溫度計(jì)長時間使用后容易產(chǎn)生的測量溫度漂移問題，為更好地監(jiān)測水輪發(fā)電機(jī)定子關(guān)鍵部件溫度情況，推進(jìn)水輪發(fā)電機(jī)定子溫度在線監(jiān)測技術(shù)的提升，光纖測溫技術(shù)逐步進(jìn)入國內(nèi)各個水電站的視線，逐漸有電站利用在機(jī)組技改時嘗試在水輪發(fā)電機(jī)定子上增設(shè)光纖測溫點(diǎn)。

最開始時，主機(jī)廠及電站人員對光纖測溫技術(shù)的了解還不夠深入，只是針對已投運(yùn)電站利用檢修期間在個別機(jī)組的定子銅環(huán)引出線處設(shè)置光纖測溫點(diǎn)，安裝比較方便，對電站運(yùn)營影響也較小，只需將光纖傳感器放置于銅環(huán)表面并在光纖傳感器外部繞包絕緣并檢查電氣及絕緣性能即可。在驗(yàn)證光纖測溫技術(shù)的有效性以及對發(fā)電機(jī)其他設(shè)備沒有造成其他不利影響后，光纖測溫技術(shù)逐步發(fā)展應(yīng)用到繞組、鐵心等部位。

當(dāng)驗(yàn)證光纖測溫技術(shù)在定子上的在線監(jiān)測有效可靠后，近些年部分新建電站則開始有計(jì)劃地在電站建設(shè)之初就將光纖測溫技術(shù)規(guī)劃納入到水輪發(fā)電機(jī)定子溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)中，并在主機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時將其融入進(jìn)去，與現(xiàn)有的鉑電阻溫度計(jì)測溫技術(shù)形成對比，甚至已有個別電站已在定子上取消了常規(guī)RTD 測溫，而改為全部使用光纖測溫的方式進(jìn)行定子溫度在線監(jiān)測。可見在逐漸積累一定經(jīng)驗(yàn)后，光纖測溫技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用正在快速發(fā)展。

3 光纖測溫技術(shù)原理

目前在水輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的可以對被測體特定位置進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測的光纖測溫技術(shù)主要包括熒光光纖測溫技術(shù)、光柵光纖測溫技術(shù)和半導(dǎo)體砷化鎵光纖測溫技術(shù)，各技術(shù)的光纖測溫原理均有不同。

熒光光纖測溫技術(shù)是基于熒光壽命的一種檢測方式，主要是利用了某些熒光物質(zhì)內(nèi)部電子在接受一定波長的光能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時發(fā)出熒光的壽命與溫度為單值函數(shù)的原理，通過測量熒光壽命來反應(yīng)出實(shí)時溫度[6]。熒光光纖測溫技術(shù)特點(diǎn)在于成本相對較低，應(yīng)用場景較廣，應(yīng)用對象的被測體與光纖信號調(diào)節(jié)器一般不宜過遠(yuǎn)，以防測量精度受到一定影響，同時熒光光纖傳感器需要在出廠前進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，現(xiàn)場一般不隨意更換通道，在安裝和維護(hù)上要求相對較高。

光柵光纖測溫技術(shù)是基于光柵反射波長位移的一種檢測方式，主要是利用寬帶光入射光纖時將產(chǎn)生模式耦合，在滿足一定條件時，光柵將起到一個反射鏡的作用，反射回一個窄帶光波，而不同溫度下反射波長的位移不同的原理，通過測量反射波長位移量來反應(yīng)實(shí)時溫度。光柵光纖測溫技術(shù)的特點(diǎn)在于能方便的使用波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖中串接多個光纖光柵進(jìn)行不同位置的測量，也就意味著當(dāng)存在多個測溫點(diǎn)時，光柵光纖測溫技術(shù)可將其串接，最終可只引出1 根光纜，在測溫點(diǎn)較多時，可大幅度降低機(jī)坑內(nèi)外的電纜敷設(shè)數(shù)量。同時，該測溫特點(diǎn)也讓一些關(guān)鍵位置溫度的準(zhǔn)分布式測量有了更大的可行性。

半導(dǎo)體砷化鎵光纖測溫技術(shù)是基于砷化鎵晶片吸收光波特性的一種檢測方式，主要是利用砷化鎵材料吸收光子波長可反應(yīng)出禁帶寬度，而禁帶寬度又與溫度正相關(guān)的原理，當(dāng)砷化鎵材料接收光源發(fā)出的光束后，吸收特定波長后通過獲得吸收光子的波長即可反應(yīng)出實(shí)時溫度。半導(dǎo)體砷化鎵測溫技術(shù)的特點(diǎn)在于半導(dǎo)體材料只對溫度參數(shù)敏感，穩(wěn)定性好，且測溫精度不受光纖線路長度影響，但成本相對較高，尤其當(dāng)需求的測溫點(diǎn)數(shù)量較多時，一定程度上會提高機(jī)組的整體制造成本。

4 光纖測溫系統(tǒng)構(gòu)成

雖然各類型光纖測溫技術(shù)的原理大不相同，但從整體來看，各類型光纖測溫系統(tǒng)的組織架構(gòu)基本一致。下面以某15.75 kV、200 MW 水輪發(fā)電機(jī)組為例，著重介紹光纖測溫系統(tǒng)的構(gòu)成方式，以及光纖測溫系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)定子測溫領(lǐng)域的具體實(shí)施型式，為后續(xù)新建和改造機(jī)組使用光纖測溫技術(shù)提供參考和技術(shù)支撐。該機(jī)組采用的技術(shù)為半導(dǎo)體砷化鎵光纖測溫技術(shù)。

光纖測溫系統(tǒng)主要由光纖傳感器、耦合器、外部光纖、光纖信號調(diào)節(jié)器以及屏柜等組成，其系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 光纖測溫系統(tǒng)圖

4.1 光纖傳感器

光纖傳感器即光纖測溫系統(tǒng)的前端，放置在所需進(jìn)行溫度監(jiān)測的被測點(diǎn)位置，用于采集被測點(diǎn)位置溫度，并帶有光纖測溫探頭。半導(dǎo)體砷化鎵探頭的芯線直徑為Φ62.5 μm，增加外部殼體后，整個光纖測溫探頭直徑約為Φ1.1 mm，光纖傳感器在測溫探頭部位一般還設(shè)有安裝圓片，用于保護(hù)測溫探頭。

光纖傳感器可精確測量被測物體溫度，測溫范圍可達(dá)-40℃~225℃，測得的溫度以光纖信號方式沿引線傳播，最后經(jīng)引線末端的ST 接頭輸出。整個光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫、阻燃、耐油、防水等特性，符合在水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用的條件。內(nèi)部光纖的引線外徑約為Φ3.15 mm，ST 接頭直徑約為Φ9.1 mm。光纖傳感器示意圖如圖2 所示。

圖2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 外部光纖

光纖傳感器的引線長度一般不超過15 m，當(dāng)所需的引線長度超過15 m 時，為提高光纖傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性，則要考慮增加外部光纖，外部光纖是光纖傳感器的延長線，其耐溫等性能略低于光纖傳感器，主要適用于較遠(yuǎn)距離的光纖傳輸。

4.3 耦合器

耦合器用于連接光纖傳感器和外部光纖。

4.4 光纖信號調(diào)節(jié)器

光纖信號調(diào)節(jié)器是光纖傳感器的終端轉(zhuǎn)換設(shè)備，可將光纖傳感器傳輸?shù)墓饫w信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并現(xiàn)地顯示。光纖信號調(diào)節(jié)器通訊端口為RS485及USB，有18 通道、24 通道等多種通道數(shù)量供選擇，該機(jī)組需求的測溫點(diǎn)數(shù)量為34 點(diǎn)，考慮留有一定的余量，最終采用了2 臺18 通道的光纖信號調(diào)節(jié)器，每臺外形尺寸為235 mm×300 mm×98 mm。

4.5 屏柜

光纖信號調(diào)節(jié)器的顯示屏一般為7 寸小顯示屏，觀察被測點(diǎn)溫度時較為不便，尤其在測點(diǎn)數(shù)量較多時，一般還要通過多頁顯示方式現(xiàn)地翻頁查看，使用的親和性較低。為提高電站的人性化設(shè)計(jì)，一般在機(jī)坑外圍設(shè)置現(xiàn)地顯示屏柜，集成包括光纖信號調(diào)節(jié)器、電腦終端、大型顯示屏以及輔助的走線、照明等配套設(shè)施，將光纖信號調(diào)節(jié)器的現(xiàn)地顯示讀數(shù)傳輸?shù)酱笮惋@示屏上，以便更方便更快捷地觀察到被測點(diǎn)溫度。另外，光纖系統(tǒng)現(xiàn)地顯示屏柜的數(shù)據(jù)也可傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，方便遠(yuǎn)方監(jiān)控觀察光纖信號傳感器測點(diǎn)溫度。

5 光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某電站水輪發(fā)電機(jī)定子的光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測對象較為全面，包括定子繞組、定子鐵心、齒壓板以及銅環(huán)引線，共設(shè)置34 點(diǎn)。各部位的具體測點(diǎn)情況如下。

5.1 定子繞組光纖測溫

定子繞組光纖測溫點(diǎn)設(shè)置在上、下層繞組之間，實(shí)際使用時，繞組光纖傳感器外部一般設(shè)置墊條進(jìn)行外殼封裝，在保護(hù)光纖傳感器的同時，也可以保證帶有光纖傳感器的墊條尺寸與常規(guī)層間墊條尺寸一致，外殼封裝采用絕緣板墊條包裹光纖傳感器并使用灌注膠粘牢的結(jié)構(gòu)型式，如圖3 所示。定子繞組光纖測溫為每相每支路設(shè)置1 點(diǎn)，該機(jī)組為三相四支路電機(jī)，共設(shè)置12 點(diǎn)，圓周方向基本均布，根據(jù)各相繞組的分布情況，將U 相的4 個光纖測溫點(diǎn)布置在第81 槽、261 槽、441 槽和621 槽，V 相的4 個光纖測溫點(diǎn)布置在第22 槽、202 槽、382 槽和562 槽，W 相的4 個光纖測溫點(diǎn)布置在第142 槽、322 槽、502 槽和682 槽。

圖3 光纖傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意

5.2 定子鐵心光纖測溫

定子鐵心光纖測溫設(shè)置在定子鐵心背部，高度上設(shè)置在定子鐵心中部，定子鐵心沖片留有用于裝設(shè)光纖傳感器的凹槽，并在疊片時疊出，凹槽高度以剛好能夠裝入光纖傳感器為宜。因光纖傳感器本身較為脆弱，鐵心光纖傳感器也設(shè)置墊條進(jìn)行外殼封裝，結(jié)構(gòu)與繞組光纖傳感器基本一致。該機(jī)組鐵心光纖傳感器共設(shè)置4 點(diǎn)，圓周方向基本均布，根據(jù)定子鐵心結(jié)構(gòu)將4 個光纖測溫點(diǎn)分別布置在第1.5 槽、181.5 槽、361.5 槽和541.5 槽。

5.3 定子壓指光纖測溫

定子壓指光纖測溫設(shè)置在定子上、下端壓指側(cè)面，因光纖傳感器本身較為脆弱，壓指光纖傳感器也設(shè)置墊條進(jìn)行外殼封裝，其結(jié)構(gòu)與繞組光纖傳感器基本一致，實(shí)施時先在壓指側(cè)面設(shè)置帶有凹槽的固定塊，再將帶有封裝的壓指光纖傳感器插入凹槽中固定即可。該機(jī)組壓指光纖傳感器共設(shè)置6 點(diǎn)，上端和下端壓指各3 點(diǎn)，上下位置對應(yīng)，圓周方向基本均布，根據(jù)定子鐵心結(jié)構(gòu)，將6 個光纖測溫點(diǎn)分別布置在第116 槽、416 槽和596 槽的上端和下端壓指位置。

5.4 定子銅環(huán)引線光纖測溫

定子銅環(huán)光纖測溫設(shè)置在定子匯流排上，測溫點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用光纖傳感器緊貼銅環(huán)并在外部直接包繞主絕緣的結(jié)構(gòu)型式。該機(jī)組銅環(huán)光纖傳感器也為每相每支路1 點(diǎn)，共設(shè)置12 點(diǎn)。測點(diǎn)位置設(shè)置在主引出線位置的銅環(huán)引線處，方便集中引線。

定子各部位測點(diǎn)的光纖傳感器通過耦合器及外部光纖連接到機(jī)坑外部的光纖信號調(diào)節(jié)器上，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號在屏柜上顯示，實(shí)現(xiàn)了定子溫度光纖在線監(jiān)測。

6 結(jié)語

本文介紹的某水電站裝有光纖測溫系統(tǒng)的機(jī)組現(xiàn)已投入商業(yè)運(yùn)行，其定子上不僅設(shè)計(jì)了新型的光纖測溫，還設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的RTD 測溫，實(shí)現(xiàn)了光纖測溫和RTD 測溫的同臺對比。根據(jù)現(xiàn)有的運(yùn)行狀況，光纖測溫和RTD 測溫的溫度基本吻合，驗(yàn)證了光纖測溫系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)定子上的應(yīng)用是可行的，這也為后續(xù)有意采用光纖測溫技術(shù)的電站提供了十分有價(jià)值的參考。隨著光纖測溫技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)上使用的日趨成熟，越來越多的電站更加愿意嘗試和擴(kuò)大光纖測溫技術(shù)的使用。已有部分電站在轉(zhuǎn)子上增設(shè)了光纖測溫，對磁極關(guān)鍵位置以及集電環(huán)等進(jìn)行了監(jiān)測，突破了轉(zhuǎn)子溫度在線監(jiān)測困難的難題；也有部分電站在軸承上采用了光纖測溫，配合定子的光纖測溫，實(shí)現(xiàn)了水輪發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測的光纖化；還有電站開始嘗試在定子繞組、鐵心等位置裝設(shè)可更換式光纖傳感器。相信在不遠(yuǎn)的將來，光纖測溫技術(shù)在水電機(jī)組上的應(yīng)用一定會愈加深入、愈加廣泛，并向著規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)。