發電機轉子溫度監測算法的研究與實現

張 霞

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

大型發電機轉子的溫度是發電機安全運行的重要監視參數。其測量方法分為直接測量法和間接測量法。由于發電機為高速旋轉部件，采用轉子線圈內埋入電阻的直接測溫法在工藝實現上很困難，且給發電機的安全穩定運行帶來隱患［1］。國內有學者提出基于紅外熱敏器件的非接觸式測溫和基于GaAs晶體溫敏元件的光測量技術等方法［2－3］，但此類技術受限于傳感器自身特性以及工作環境的電磁干擾等因素，因此，大多還處在試驗研究階段，并未在發電機轉子測溫領域成熟應用。

大多大型發電機組采用通過獲取轉子阻值進而通過計算得到轉子溫度的間接監測方法。按監測原理，間接測溫法包括三種典型間接測量技術:測磁傳感器－電壓測量法，工況分析推算法以及轉子溫度/勵磁電流間接計算法［4］。方法一須安裝測磁傳感器測量轉子電壓和轉子電流;方法二一般利用勵磁系統的精確計算軟件進行推算［5］;方法三以工廠試驗數據為依據，通過計算獲得轉子溫度。本文將介紹方法三在某核電新建工程上基于全廠DCS的實現方案。

1 轉子溫度算法模型

1.1 發電機勵磁機組簡介

發電機勵磁系統是根據發電機電壓和負荷，按給定規律調整勵磁電流，維持發電機端電壓為給定水平，合理分配并列運行機組的無功;在發電機及電力系統發生故障時，通過強行增磁減磁防止事態擴大，維持電力系統穩定。隨著發電裝機容量不斷增大，發電機勵磁越來越重要。600 MW及以上大型發電機組勵磁方式主要分有刷勵磁和無刷勵磁兩種。發電機轉子滑環還火問題制約了有刷勵磁在大型發電機組的應用，百萬千瓦以上的大機組一般采用無刷勵磁系統。某核電新建工程采用了東方電氣＆阿爾斯通TA1100-78型的發電機組，其額定功率為1300 MW，額定電壓為24 kV，配以TKJ167-45的無刷勵磁系統。

1.2 轉子溫度的計算

發電機轉子溫度計算與發電機勵磁系統的勵磁電流、發電機氫氣溫度和氫氣壓力有關。勵磁電流越大，轉子線圈的電壓越高，進而產生的熱量越多，轉子溫升越高;發電機轉子采用氫氣冷卻方式，轉子溫度會隨著氫氣溫度升高而升高;氫壓越高，氫循環冷卻效果越好，轉子發熱產生的熱量被及時帶走，故氫壓越高，轉子溫升越小。

轉子溫度計算需引入的三個輸入數據，分別為勵磁電流iex、發電機氫氣平均溫度T0和發電機氫氣相對壓力p。根據上述相關影響因素分析及發電機廠家工廠試驗，得出如下發電機轉子溫度的相關計算公式:

式中:T為轉子線圈溫度，℃;ΔT為轉子線圈溫升，℃。

式中:Pex為為勵磁功率，VA;ΔT0與α是為常數，由制造廠給出，分別為1和0.06504。

式中:Ured為轉子線圈電壓，V;R為轉子線圈電阻，Ω。

式中:R95為95℃時的轉子線圈電阻值(0.0806 Ω)。

根據以上這些公式，即可通過循環迭代計算出發電機轉子溫度。

在勵磁電流不變時，轉子線圈電壓與轉子電阻有同向變化趨勢，但在不同的勵磁電流下，對應曲線是不同的。廠家經過試驗得出在勵磁電流分別為50 A、100 A、140 A、170 A、230A等五組典型值時轉子電壓與電阻的數據擬合方程為:

在發電機轉子溫度不變，即轉子阻值固定的情況下，發電機轉子線圈電壓與勵磁電流也有著同向變化的趨勢。轉子在不同溫度下即對應不同轉子線圈電阻，其對應勵磁電流與轉子線圈電壓關系曲線 Ured=f(iex)如圖1所示。

圖1 線圈電壓－勵磁電流曲線Fig.1 Curve of Winding voltage vs.exciting current

1.3 計算算法流程

計算發電機轉子溫度首先假定轉子溫度與氫氣溫度相同，并輸入發電機氫氣平均溫度T0，發電機氫壓p以及勵磁電流iex。根據式(4)算出此時對應的轉子線圈電阻，根據已知的典型擬合曲線計算出不同勵磁電流下的轉子線圈電壓值，進而導出Ured=f(iex)的對應擬合曲線。由已知輸入數據勵磁電流得出對應的轉子線圈電壓Ured，根據式(2)和式(3)計算出轉子溫升ΔT1，由式(1)得到此時的轉子溫度;再根據得出的轉子溫度T2，如上循環計算出對應的轉子溫升ΔT2，直至兩次計算的溫升ΔT的差值小于允許的迭代誤差0.01。此時計算結果滿足誤差要求，轉子溫度計算值被作為最終結果輸出。因發電機勵磁系統隨著電網波動進行勵磁調節，勵磁電流是一個變化值，故要實時采集，進行下一輪的循環計算，將滿足誤差要求的結果作為發電機轉子溫度實時的輸出。轉子溫度算法流程圖如圖2所示，子程序1與子程序2分別實現上述ΔT1與ΔT2的計算。

圖2 轉子溫度算法流程圖Fig.2 Flowchart of rotor temperature algorithm

2 轉子溫度算法的實現

2.1 機組DCS系統簡介

某核電站新建工程DCS系統采用的是西門子TXP/TXS系統。TXP分散控制系統提供了處理和控制生產過程所必需的自動處理、操作、監視和記錄功能［6－7］，它主要由 AS620 過程自動控制系統、ES680 工程管理系統和OM690操作和監視系統組成。核電站DCS網絡結構簡圖如圖3所示。

圖3 核電站DCS網絡結構簡圖Fig.3 Architecture of the network structure of DCS in NPP

2.2 轉子溫度監測方案

發電機轉子溫度信號屬于非安全級信號，故從輸入信號的采集到算法程序的實現，以及到最終畫面的顯示都需在TXP系統中完成。監測方案如圖4所示。

圖4 監測方案簡圖Fig.4 Simplified diagram of the monitoring strategy

由TXP系統熱電阻采集模塊FUM232采集四路發電機氫氣溫度信號 GRH411MT、GRH412MT、GRH413MT、GRH414MT，AI采集模塊FUM230分別采集勵磁電流GEX413MI和氫氣相對壓力GRV001MP這兩路信號，送到AP處理器進行處理。AP中的數據通過Plant bus總線環網與PU相連，作為PU的輸入信號并在PU中完成算法程序。在二層PU中引入第三方程序實現轉子溫度計算的編程，最終將轉子溫度計算結果GRH101MY信號送到二層畫面GRH001YCD中顯示。

西門子一層離線組態軟件TEC4及ES680中很難實現復雜的擬合迭代循環等算法，故通過PU功能塊K_R解決此難題。K_R功能塊是專門用于與來自第三方編程程序或應用程序的模擬量過程信號的接口模塊。使用其他第三方編程語言，在PU中通過與K_R功能塊接口，最終實現復雜算法的運算。該核電機組發電機轉子溫度的在線監測，也就是通過此K_R功能塊在PU中實現算法編程。按照轉子溫度算法的流程步驟，通過中間計算轉換的間接方式獲得發電機溫度的數值。以GRH101MY作為二層OM690操作和監視系統的引用信號，在K_R功能塊中設置其參數。M_ANF和M_END分別為轉子溫度信號GRH101MY的量程上下限，設為0～450，參數Y.UNIT設為溫度單位℃，參數Y.DEST設為YP99，它是指在PU中形成的信號。K_R功能塊及其與OM690信號接口參數設置如圖5所示。

圖5 K_R功能塊及參數設置Fig.5 K_R functional block and parameter settings

3 結束語

本文設計的基于勵磁機勵磁電流/發電機轉子溫度關系及相關工廠試驗數據的發電機轉子溫度間接測量方法簡便直觀，適用于機組正常運行時的一般性監測。該方法無需額外安裝一次測量元件［8］，尤其是在該核電項目上，通過對DCS系統二層PU的二次開發，實現了基于主控室DCS操作站的發電機轉子溫度在線連續監測功能。

該實現方案簡化了測量及監控裝置，統一了人機監控界面，提高了設備運行的可靠性，減少了維護檢修工作量;對大型發電機組的發電機轉子溫度監測具有示范意義和推廣價值。

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