光纖測溫技術在沙坪電站勵磁系統中的應用

周 勇

（國電大渡河沙坪水電建設有限公司，四川 樂山614300）

0 概述

隨著國民經濟的持續、穩定發展，社會進步進入快車道，對電力系統穩定、持續運行提出更高的要求。在電力系統中，溫度是設備運行正常的一個重要指標。由于目前主要通過值班人員定期用紅外熱像儀、測溫槍等儀器對設備進行離線式監視，此類方法測量誤差大，并且只能測量設備的表面溫度，不能對封閉式、高電壓、強電磁的接觸點溫度進行有效測量和監測[1]，所以急需找到一種更為有效的溫度測量方法，從而實現對設備更有效的溫度監視。

沙坪二級水電站位于四川省樂山市峨邊彝族自治縣和金口河交界處，是大渡河規劃的22個梯級水電站中的第20級沙坪梯級水電站的第二級，采用國內最大燈泡貫流式機組，裝設6臺單機容量58 MW燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量為348 MW。額定定子電壓10.5 kV，通過主變壓器升壓至500 kV，連接至500 kV峨眉南天變電站，與雙江口、瀑布溝聯合運行。

沙坪二級水電站采用廣州擎天實業有限公司的EXC9100勵磁系統，功率柜采用三相橋式全控整流電路[2]，額定勵磁電流為1 015 A。勵磁系統作為水電站發電系統中的一部分，控制著發電機的機端電壓和勵磁電流，對機組的安全、穩定運行有著至關重要的作用。勵磁系統功率柜可控硅等功率元件作為勵磁系統的主要發熱元件，對其溫度測量及實時監控是設備安全運行的重要指標之一。

沙坪二級水電站勵磁系統采用熒光光纖測溫技術，實現功率柜可控硅元件的在線溫度測量及實時傳輸，確保勵磁系統可靠、安全、穩定運行。實踐表明，光纖測溫技術具有測量精度高、實時性好、易于安裝、便于維護等特點，具有很好的監測效果和廣泛的應用前景。

本文主要介紹熒光光纖在線測溫裝置的基本原理及安裝使用方法。

1 光纖測溫的基本原理及測溫裝置

熒光光纖測溫裝置較適用于高電壓、強電磁等復雜環境測溫需求及拓撲結構復雜的多點溫度監測。

1.1 熒光光纖測溫的原理

熒光光纖測溫裝置所使用的熒光光纖溫度傳感器屬于傳光型光纖溫度傳感器，傳感器探頭由多模光纖和熒光體組成，是利用光纖作為傳輸測量信號的傳感器。熒光體一般采用特殊稀土熒光材料，當熒光材料受到一定波長的光觸發后，熒光體發出的熒光按照指數形式衰減。由于不同溫度下熒光的衰減時間不同，因此可以把熒光光纖溫度傳感器以某種方式放置于被測溫度范圍內，通過測量熒光的衰減壽命來實現溫度測量的目的。熒光光纖測量原理圖如圖1所示。

圖1 熒光光纖測溫裝置原理圖

1.2 熒光光纖測溫裝置

熒光光纖測溫裝置主要由熒光光纖傳感器、延長光纖與光纖溫度解調儀組成，如圖1所示。光纖溫度解調儀發出一個激勵光脈沖，光脈沖通過延長光纖到達熒光體傳感探頭激發出熒光，熒光又通過耐溫光纖回傳至調解儀后，調解儀通過計算熒光衰減壽命從而得到所對應的溫度。

光纖溫度解調儀一般具有modbus 485通信功能，把所測量的溫度信號通過通信的方式上傳至上位機監控系統，上位機可通過根據測量得到的溫度信息進行相應的控制或報警操作[3，4]。

2 現場應用

沙坪二級水電站勵磁系統采用熒光光纖測溫技術，將光纖溫度探頭直接安裝在貼近可控硅極板位置，從而確保測溫探頭可以最真實直接的反映可控硅本體的溫度，測量值準確，響應速度快。同時由于耐溫光纖和延長光纖極強的絕緣性能，保證了在高電壓、大電流可控硅整流橋工作時自身的絕緣性能，確保熒光光纖測溫裝置的安全穩定運行。為保證設備的可靠運行和準確監測溫度，沙坪二級水電站勵磁系統在采用熒光光纖測溫的同時也采用了鉑電阻測溫，鉑電阻安裝可控硅之間測量屏柜內的環境溫度，鉑電阻測量的是環境溫度，熒光光纖直接測量可控硅的溫度，故鉑電阻測量溫度較光纖測量溫度低。目前沙坪二級水電站勵磁系統鉑電阻、熒光光纖兩種測溫裝置均正常運行，6臺機組勵磁系統鉑電阻測溫溫度較熒光光纖測溫溫度總體低6℃左右，均正常的反應了可控硅溫度的實際工況。

2.1 測溫裝置的安裝與使用

熒光光纖溫度探頭的安裝方式如圖2所示，在可控硅散熱器上開一貫通的小孔，將涂有稀土物質的熒光體溫度探頭安裝在此小孔并接觸到可控硅的殼體，再用硅膠填充小孔來固定住熒光體溫度探頭。測溫探頭固定在可控硅本體上，從而真實的檢測到可控硅的溫度。每個功率柜有6個可控硅組件，每個可控硅組件上設置1個熒光體測溫點，共計6個測溫點，對應1套6通道熒光光纖溫度測溫儀。

圖2 可控硅安裝熒光光纖傳感器

沙坪二級水電站3號機組勵磁系統6個可控硅溫度顯示如圖3所示，風道鉑電阻測試溫度為20.31℃，6個熒光光纖測溫為25～27℃之間，其余投運機組在相同的勵磁電流下溫度顯示均為25～27℃之間，均真實的反應了可控硅當前的運行溫度。

圖3 3 F勵磁系統可控硅溫度顯示

2.2 網絡拓樸圖

熒光光纖測溫系統拓撲圖如下頁圖4所示。整個電站測溫系統由6臺勵磁系統的測溫裝置、各監控主機、數據集中單元、集中監控計算機以及人機交互軟件等部分組成。數據集中單元、集中監控計算機一般安裝在主控室，方便運行人員對電氣設備溫度的在線檢測。

安裝在監控計算機中的熒光光纖在線監測軟件系統提供簡單、實用、高效的監控平臺。軟件系統的主要功能包含實時溫度的本地監控、實時數據的遠程監控、高/低溫報警、高/低溫預警、歷史數據回放、報警前后曲線、溫度導出至Excel等功能。軟件系統提供良好的人機界面，強大的數據處理能力，并可對歷史數據進行存儲和查詢。

圖4 監測系統網絡拓撲圖

3 結束語

熒光式光纖測溫裝置利用光纖作為傳輸測量信號的傳感器，具有抗電磁干擾、高壓絕緣、穩定可靠、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長壽命及耐腐蝕、適應性好等諸多優點，尤其適應于高電壓、強電磁（電磁干擾EMI、射頻干擾RFI和電磁脈沖EMP）等特殊工業環境中的溫度監測。熒光光纖在線測溫裝置在沙坪二級水電站勵磁系統的應用，較好的解決了可控硅元件的溫度實時監測功能，同時測量值也準確的反應了設備的真實值，取得了較好的測量和監控效果。同時該測溫裝置還可廣泛推廣到定子焊頭塊、高壓開關柜、發電機出口母排接頭、電纜終端等大電流設備接頭的溫度在線監測，更好的為電力系統安全、可靠的運行提供保障。