光纖測溫系統在水輪發電機定子測溫中的應用

李洪超

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

伴隨著我國水輪發電機幾十年的不斷發展與進步，常規新建的水輪發電機各項性能參數指標逐漸趨于優異和穩定，水輪發電機的關鍵技術也日漸發展趨于成熟，因此越來越多的電站開始關注水輪發電機的在線監測技術，以便對機組的健康狀況進行有效地判斷，光纖測溫技術也開始受到了更多電站的關注[1-4]。

2 光纖測溫技術的發展

對于常規水輪發電機來講，在定子上通常進行在線監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Pt100 對被測位置進行溫度在線監測。但定子溫度計在初次安裝之后具有更換困難的特點，尤其是定子繞組溫度計。而鉑電阻溫度計在經歷長期使用后，容易出現溫度計斷線、測量溫度漂移等問題，因此水輪發電機的定子在經過多年運行后很容易出現無法正常監測實時溫度或監測溫度不準確的情況，對電站運行造成很大困擾[5]。甚至一些運行時間比較長的電站的所有定子電阻溫度計全部已無法使用，而且一定時間內沒有更換溫度計的檢修周期，只能臨時采用在定子繞組等關鍵部件旁邊臨時增加外部溫度計測點的方式粗略地監測定子溫度，監測溫度的準確性大幅度降低，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長時間使用后容易產生的測量溫度漂移問題，為更好地監測水輪發電機定子關鍵部件溫度情況，推進水輪發電機定子溫度在線監測技術的提升，光纖測溫技術逐步進入國內各個水電站的視線，逐漸有電站利用在機組技改時嘗試在水輪發電機定子上增設光纖測溫點。

最開始時，主機廠及電站人員對光纖測溫技術的了解還不夠深入，只是針對已投運電站利用檢修期間在個別機組的定子銅環引出線處設置光纖測溫點，安裝比較方便，對電站運營影響也較小，只需將光纖傳感器放置于銅環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。在驗證光纖測溫技術的有效性以及對發電機其他設備沒有造成其他不利影響后，光纖測溫技術逐步發展應用到繞組、鐵心等部位。

當驗證光纖測溫技術在定子上的在線監測有效可靠后，近些年部分新建電站則開始有計劃地在電站建設之初就將光纖測溫技術規劃納入到水輪發電機定子溫度在線監測系統中，并在主機設計和生產時將其融入進去，與現有的鉑電阻溫度計測溫技術形成對比，甚至已有個別電站已在定子上取消了常規RTD 測溫，而改為全部使用光纖測溫的方式進行定子溫度在線監測。可見在逐漸積累一定經驗后，光纖測溫技術在水輪發電機上的應用正在快速發展。

3 光纖測溫技術原理

目前在水輪發電機領域應用的可以對被測體特定位置進行實時在線監測的光纖測溫技術主要包括熒光光纖測溫技術、光柵光纖測溫技術和半導體砷化鎵光纖測溫技術，各技術的光纖測溫原理均有不同。

熒光光纖測溫技術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內部電子在接受一定波長的光能量從基態躍遷到激發態再從激發態返回基態時發出熒光的壽命與溫度為單值函數的原理，通過測量熒光壽命來反應出實時溫度[6]。熒光光纖測溫技術特點在于成本相對較低，應用場景較廣，應用對象的被測體與光纖信號調節器一般不宜過遠，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行溫度校準，現場一般不隨意更換通道，在安裝和維護上要求相對較高。

光柵光纖測溫技術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實時溫度。光柵光纖測溫技術的特點在于能方便的使用波分復用技術，在一根光纖中串接多個光纖光柵進行不同位置的測量，也就意味著當存在多個測溫點時，光柵光纖測溫技術可將其串接，最終可只引出1 根光纜，在測溫點較多時，可大幅度降低機坑內外的電纜敷設數量。同時，該測溫特點也讓一些關鍵位置溫度的準分布式測量有了更大的可行性。

半導體砷化鎵光纖測溫技術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出禁帶寬度，而禁帶寬度又與溫度正相關的原理，當砷化鎵材料接收光源發出的光束后，吸收特定波長后通過獲得吸收光子的波長即可反應出實時溫度。半導體砷化鎵測溫技術的特點在于半導體材料只對溫度參數敏感，穩定性好，且測溫精度不受光纖線路長度影響，但成本相對較高，尤其當需求的測溫點數量較多時，一定程度上會提高機組的整體制造成本。

4 光纖測溫系統構成

雖然各類型光纖測溫技術的原理大不相同，但從整體來看，各類型光纖測溫系統的組織架構基本一致。下面以某15.75 kV、200 MW 水輪發電機組為例，著重介紹光纖測溫系統的構成方式，以及光纖測溫系統在水輪發電機定子測溫領域的具體實施型式，為后續新建和改造機組使用光纖測溫技術提供參考和技術支撐。該機組采用的技術為半導體砷化鎵光纖測溫技術。

光纖測溫系統主要由光纖傳感器、耦合器、外部光纖、光纖信號調節器以及屏柜等組成，其系統圖如圖1 所示。

圖1 光纖測溫系統圖

4.1 光纖傳感器

光纖傳感器即光纖測溫系統的前端，放置在所需進行溫度監測的被測點位置，用于采集被測點位置溫度，并帶有光纖測溫探頭。半導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有安裝圓片，用于保護測溫探頭。

光纖傳感器可精確測量被測物體溫度，測溫范圍可達-40℃~225℃，測得的溫度以光纖信號方式沿引線傳播，最后經引線末端的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，符合在水輪發電機上應用的條件。內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 光纖傳感器結構示意圖

4.2 外部光纖

光纖傳感器的引線長度一般不超過15 m，當所需的引線長度超過15 m 時，為提高光纖傳輸的經濟性，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 光纖信號調節器

光纖信號調節器是光纖傳感器的終端轉換設備，可將光纖傳感器傳輸的光纖信號轉換為數字信號并現地顯示。光纖信號調節器通訊端口為RS485及USB，有18 通道、24 通道等多種通道數量供選擇，該機組需求的測溫點數量為34 點，考慮留有一定的余量，最終采用了2 臺18 通道的光纖信號調節器，每臺外形尺寸為235 mm×300 mm×98 mm。

4.5 屏柜

光纖信號調節器的顯示屏一般為7 寸小顯示屏，觀察被測點溫度時較為不便，尤其在測點數量較多時，一般還要通過多頁顯示方式現地翻頁查看，使用的親和性較低。為提高電站的人性化設計，一般在機坑外圍設置現地顯示屏柜，集成包括光纖信號調節器、電腦終端、大型顯示屏以及輔助的走線、照明等配套設施，將光纖信號調節器的現地顯示讀數傳輸到大型顯示屏上，以便更方便更快捷地觀察到被測點溫度。另外，光纖系統現地顯示屏柜的數據也可傳輸到監控系統，方便遠方監控觀察光纖信號傳感器測點溫度。

5 光纖測溫系統設計

某電站水輪發電機定子的光纖測溫系統監測對象較為全面，包括定子繞組、定子鐵心、齒壓板以及銅環引線，共設置34 點。各部位的具體測點情況如下。

5.1 定子繞組光纖測溫

定子繞組光纖測溫點設置在上、下層繞組之間，實際使用時，繞組光纖傳感器外部一般設置墊條進行外殼封裝，在保護光纖傳感器的同時，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構型式，如圖3 所示。定子繞組光纖測溫為每相每支路設置1 點，該機組為三相四支路電機，共設置12 點，圓周方向基本均布，根據各相繞組的分布情況，將U 相的4 個光纖測溫點布置在第81 槽、261 槽、441 槽和621 槽，V 相的4 個光纖測溫點布置在第22 槽、202 槽、382 槽和562 槽，W 相的4 個光纖測溫點布置在第142 槽、322 槽、502 槽和682 槽。

圖3 光纖傳感器封裝結構示意

5.2 定子鐵心光纖測溫

定子鐵心光纖測溫設置在定子鐵心背部，高度上設置在定子鐵心中部，定子鐵心沖片留有用于裝設光纖傳感器的凹槽，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置墊條進行外殼封裝，結構與繞組光纖傳感器基本一致。該機組鐵心光纖傳感器共設置4 點，圓周方向基本均布，根據定子鐵心結構將4 個光纖測溫點分別布置在第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置在定子上、下端壓指側面，因光纖傳感器本身較為脆弱，壓指光纖傳感器也設置墊條進行外殼封裝，其結構與繞組光纖傳感器基本一致，實施時先在壓指側面設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。該機組壓指光纖傳感器共設置6 點，上端和下端壓指各3 點，上下位置對應，圓周方向基本均布，根據定子鐵心結構，將6 個光纖測溫點分別布置在第116 槽、416 槽和596 槽的上端和下端壓指位置。

5.4 定子銅環引線光纖測溫

定子銅環光纖測溫設置在定子匯流排上，測溫點結構采用光纖傳感器緊貼銅環并在外部直接包繞主絕緣的結構型式。該機組銅環光纖傳感器也為每相每支路1 點，共設置12 點。測點位置設置在主引出線位置的銅環引線處，方便集中引線。

定子各部位測點的光纖傳感器通過耦合器及外部光纖連接到機坑外部的光纖信號調節器上，并轉換為數字信號在屏柜上顯示，實現了定子溫度光纖在線監測。

6 結語

本文介紹的某水電站裝有光纖測溫系統的機組現已投入商業運行，其定子上不僅設計了新型的光纖測溫，還設計了傳統的RTD 測溫，實現了光纖測溫和RTD 測溫的同臺對比。根據現有的運行狀況，光纖測溫和RTD 測溫的溫度基本吻合，驗證了光纖測溫系統在水輪發電機定子上的應用是可行的，這也為后續有意采用光纖測溫技術的電站提供了十分有價值的參考。隨著光纖測溫技術在水輪發電機上使用的日趨成熟，越來越多的電站更加愿意嘗試和擴大光纖測溫技術的使用。已有部分電站在轉子上增設了光纖測溫，對磁極關鍵位置以及集電環等進行了監測，突破了轉子溫度在線監測困難的難題；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，實現了水輪發電機組在線監測的光纖化；還有電站開始嘗試在定子繞組、鐵心等位置裝設可更換式光纖傳感器。相信在不遠的將來，光纖測溫技術在水電機組上的應用一定會愈加深入、愈加廣泛，并向著規范化和標準化邁進。