五凌電力有限公司株溪口水電廠 申潘威 劉 禹 莫建安

1 項(xiàng)目概況

株溪口電廠裝有4臺(tái)單機(jī)18.5MW 的燈泡貫流式機(jī)組，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)埋在定子鐵芯與定子槽內(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。定子鐵芯、定子線棒、匯流環(huán)等重要部件部分位置處于無(wú)監(jiān)測(cè)狀況，給設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，2號(hào)發(fā)電機(jī)定子鐵芯及繞組共計(jì)24個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，其中8個(gè)測(cè)溫探頭損壞，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)。株溪口的測(cè)溫探頭損壞情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 株溪口發(fā)電機(jī)定子測(cè)溫探頭失效情況統(tǒng)計(jì)

為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)，傳統(tǒng)的鉑電阻測(cè)溫裝置容易電磁場(chǎng)干擾，容易發(fā)生零點(diǎn)漂移，需定期校驗(yàn)，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)故障率比較高，且株溪口電廠現(xiàn)有的測(cè)溫系統(tǒng)備用接點(diǎn)不足，需要增加測(cè)溫系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換模塊，模塊及相應(yīng)的服務(wù)費(fèi)用較高。發(fā)電機(jī)定子風(fēng)洞內(nèi)空間位置狹窄，不適合安裝紅外測(cè)溫元件，特采用先進(jìn)的熒光式光纖測(cè)溫技術(shù)，具有測(cè)量準(zhǔn)確、精度高、不受電磁干擾、不受灰塵油污影響等優(yōu)點(diǎn)，費(fèi)用與傳統(tǒng)的鉑電阻方案對(duì)比差別不大。將傳感器安裝在發(fā)電機(jī)定子線棒的端部表面，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，再通過(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 光纖測(cè)溫的選擇與使用

為了實(shí)時(shí)掌握發(fā)電機(jī)組的健康狀況，必須對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，水電機(jī)組作為機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備，其健康狀況影響著電廠的設(shè)備安全甚至電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組作為高溫大電流設(shè)備，其故障前兆一般會(huì)體現(xiàn)在設(shè)備溫度的上升。在株溪口電廠機(jī)組上增加一套發(fā)電機(jī)定子溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效監(jiān)測(cè)機(jī)組在運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)定子的溫升信號(hào)，及時(shí)預(yù)警溫度異常狀況，準(zhǔn)確定位溫度異常部位，從而及時(shí)處理故障。一方面可以避免電站機(jī)組由于事故的擴(kuò)大化造成的財(cái)產(chǎn)損失，另外一方面，可以避免由于機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)而造成的經(jīng)濟(jì)損失?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)溫升狀況，準(zhǔn)確定位溫度異常部位，及時(shí)處理故障，防止設(shè)備損壞，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。選用新式的測(cè)溫方法為株溪口電廠其他機(jī)組或者其他電廠解決類(lèi)似問(wèn)題提供參考建議。

2.1 光纖測(cè)溫技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域

2.1.1 光纖傳感器技術(shù)特點(diǎn)

傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)被稱(chēng)為當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)三大支柱技術(shù)之一，是組成現(xiàn)代信息化社會(huì)的基礎(chǔ)。光纖傳感則是21世紀(jì)傳感技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，其發(fā)展直接影響到許多行業(yè)的進(jìn)步[1]。光纖測(cè)溫技術(shù)則是光纖傳感領(lǐng)域中研究與開(kāi)發(fā)最為活躍技術(shù)，由于光纖溫度傳感器許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此在高直流電場(chǎng)、高頻場(chǎng)、微波場(chǎng)等環(huán)境中應(yīng)用非常普遍[2]。光纖傳感器主要有如下特點(diǎn)：抗電磁干擾、高絕緣強(qiáng)度、高可靠性/穩(wěn)定性、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)等[3]。

2.1.2 常見(jiàn)的光纖傳感器產(chǎn)品

常見(jiàn)的光纖傳感器有基于光纖布拉格光柵型傳感器（波長(zhǎng)調(diào)制）、熒光式（熒光余輝）傳感器、砷化鎵半導(dǎo)體晶體吸收型（光強(qiáng)調(diào)制）傳感器、拉曼式/布里淵散射傳感器。主要特點(diǎn)如下：

一是光纖布拉格光柵溫度傳感器。由于溫度的作用是由于熱光和熱膨脹的作用，所以在實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償或區(qū)別。

二是熒光式測(cè)溫傳感器。熒光式測(cè)溫傳感器是利用磷化物的熒光輻射的溫度特性設(shè)計(jì)的，利用磷化物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，根據(jù)溫度的函數(shù)，來(lái)測(cè)算出溫度。

三是砷化鎵半導(dǎo)體晶體吸收型傳感器。當(dāng)溫度上升時(shí)，半導(dǎo)體材料的透射率曲線會(huì)變得更長(zhǎng)，感光元件接收的光強(qiáng)度會(huì)變?nèi)酢?/p>

四是拉曼式/布里淵散射傳感器。利用“拉曼散射”的光強(qiáng)和變化率，得到了一定的溫度和溫度變化率。

2.2 常見(jiàn)光纖傳感器基本原理及性能對(duì)比

2.2.1 光纖布拉格光柵型傳感器

光纖光柵顯著的優(yōu)點(diǎn)在于，利用波分復(fù)用技術(shù)把多個(gè)光纖光柵整合在一個(gè)單一光纖中，如果只用C 波段進(jìn)行傳輸，目前的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)30個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一光纖。一般情況下，相關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度測(cè)量，但是成本和系統(tǒng)復(fù)雜度將高很多[4]。同時(shí)，光纖布拉格光柵型傳感器還需要解決壓力、應(yīng)力、溫度、振動(dòng)、彎曲等環(huán)境因素相互綜合作用，不利于對(duì)單一物理量測(cè)量的問(wèn)題。

2.2.2 熒光式光纖溫度傳感器

熒光式光纖溫度傳感器是一種采用常規(guī)的多模式光纖，并在其表面涂覆一層磷光體（粉末），當(dāng)受到特定的光激發(fā)時(shí)，磷光體就會(huì)發(fā)出熒光能。熒光材料的熒光特性、環(huán)境溫度、激發(fā)態(tài)等因素決定了熒光材料的發(fā)光能力。因此，根據(jù)熒光壽命的長(zhǎng)度，可了解當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度。在熒光壽命測(cè)溫系統(tǒng)中，一般使用高功率的激光脈沖或者方波脈沖作為激勵(lì)光源，并對(duì)其發(fā)光壽命進(jìn)行檢測(cè)，以求其對(duì)應(yīng)的溫度。

2.2.3 砷化鎵半導(dǎo)體晶體吸收型（光強(qiáng)調(diào)制）傳感器

根據(jù)半導(dǎo)體晶體-GaAs（砷化鎵）光吸收/發(fā)射的溫度特性制成，溫度變化對(duì)這種半導(dǎo)體性能的影響已眾所周知并可進(jìn)行預(yù)測(cè)。在任意給定的溫度下，某一特定波長(zhǎng)下的發(fā)射從基本上的0%跳躍到100%，這一跳躍稱(chēng)為吸收漂移。發(fā)生吸收跳躍的這一特定波長(zhǎng)與溫度之間的關(guān)系可以預(yù)測(cè)。

2.2.4 拉曼式/布里淵散射傳感器

利用拉曼散射和光時(shí)域反射技術(shù)，測(cè)量了溫度、距離。拉曼散射理論是根據(jù)光在光纖中傳播時(shí)，所引起的拉曼散射光譜所引起的溫度影響而形成的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集。

2.2.5 四種光纖傳感器之比較

以上四種技術(shù)是當(dāng)前市場(chǎng)上流行、產(chǎn)品化比較成熟的傳感器，因?yàn)槠涠际腔诩児庠?，因此具有較多共性，如不加入電、磁過(guò)程、遠(yuǎn)距離（光纖中的光衰減較慢）、適用于惡劣的環(huán)境、長(zhǎng)壽命、體積小等。下文重點(diǎn)討論四種傳感器技術(shù)的不同點(diǎn)。

一是精度。上述四種傳感器技術(shù)都具有較高的精度，均可以滿足絕大多數(shù)需求。從理論上講，熒光式所能達(dá)到的精度最高。

熒光式測(cè)溫精度主要取決于熒光物質(zhì)受激發(fā)出熒光的特性，以及對(duì)熒光余輝的檢測(cè)及算法，目前的技術(shù)工藝水平已經(jīng)達(dá)到了極高的測(cè)量精度，加之簡(jiǎn)易的制造工藝和極低的成本，使之成為規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用的佼佼者。在實(shí)際產(chǎn)品中，測(cè)量精度受到具體廠家對(duì)產(chǎn)品本身的材料、工藝加工水平、信號(hào)解調(diào)器分辨率等客觀因素的影響，還需要針對(duì)具體的產(chǎn)品進(jìn)行具體對(duì)比。目前，批量生產(chǎn)的熒光式測(cè)溫產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定精度（可重復(fù)性）最高可達(dá)到±0.05℃。

二是集成度與組網(wǎng)。熒光式以其組網(wǎng)的靈活性和組網(wǎng)成本占據(jù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)更容易實(shí)現(xiàn)。光纖布拉格光柵型傳感器的優(yōu)勢(shì)是在于傳輸距離和大規(guī)模組網(wǎng)的成本分?jǐn)?。光纖布拉格光柵型傳感器其本身的特點(diǎn)使得每個(gè)探點(diǎn)僅利用相當(dāng)少的光源分量，大部分光都透過(guò)并繼續(xù)傳播。根據(jù)上文介紹，一根光纖上可以最多同時(shí)使用20個(gè)光柵，傳輸距離超過(guò)45km，這一特點(diǎn)無(wú)疑為組網(wǎng)帶來(lái)較大便利。同時(shí)，波分復(fù)用等技術(shù)的使用，也提高了這一技術(shù)的可行性。

三是復(fù)雜度。熒光式系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本最低，制造工藝也是最簡(jiǎn)單。

四是響應(yīng)時(shí)間。光纖布拉格光柵型傳感器需要一個(gè)高性能的解調(diào)解復(fù)用接收端，接收端的處理能力往往會(huì)影響到其響應(yīng)頻率。熒光式因其相對(duì)簡(jiǎn)單，響應(yīng)頻率一般可以得到保證。目前，成熟的熒光式產(chǎn)品可以達(dá)到100ms 的響應(yīng)。

五是光源。根據(jù)上文的討論，光纖布拉格光柵型傳感器、拉曼光纖、砷化鎵晶體吸收式產(chǎn)品對(duì)光源的要求最高，需要大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源，而熒光式對(duì)光源的要求則較低，而且壽命可以達(dá)到幾十萬(wàn)小時(shí)。

六是靈活性與適用性。四種傳感器技術(shù)探頭都小巧靈活，但光纖布拉格光柵型傳感器顯然要受制于其復(fù)雜的波長(zhǎng)移位檢測(cè)技術(shù)，以及為了消除振動(dòng)、應(yīng)力、溫度等不同環(huán)境參量對(duì)光柵波長(zhǎng)位移的交叉影響而設(shè)計(jì)的復(fù)雜封裝工藝。在溫度較高環(huán)境中（300℃左右），光柵將會(huì)被擦去。

限制砷化鎵晶體吸收技術(shù)發(fā)展的主要障礙是，光源及光路的噪聲與溫度檢測(cè)相關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)參數(shù)飄移，要想達(dá)到高性能是很困難的。拉曼光纖最大問(wèn)題在于制造工藝要求高導(dǎo)致高成本，探頭過(guò)于嬌嫩易損壞。熒光式目前性?xún)r(jià)比、穩(wěn)定可靠性、壽命長(zhǎng)等產(chǎn)品成熟度指標(biāo)方面顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，熒光式具備長(zhǎng)壽命、產(chǎn)品成熟和低成本的優(yōu)勢(shì)。所以最終決定使用熒光式光纖測(cè)溫。

2.3 熒光式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

熒光型光纖溫度傳感器是根據(jù)傳統(tǒng)的光學(xué)原理，利用其自身的溫度特征，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。核心部件采用目前國(guó)際上最新一代熒光式光纖測(cè)溫模塊與探頭，具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、高壓絕緣、可靠性高、穩(wěn)定性好、精度高、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、微小尺寸等特點(diǎn)。信號(hào)處理系統(tǒng)采用了世界上先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。被測(cè)體的溫度信息從傳感、傳輸、到解調(diào)全部是由光學(xué)信號(hào)完成，實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)電檢測(cè)和本質(zhì)安全。在壽命期內(nèi)無(wú)須校準(zhǔn)標(biāo)定，特別適合于高電壓、強(qiáng)電磁等特殊工業(yè)環(huán)境中對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，熒光式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式靈活、可靠性高，可完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，具有極高的環(huán)境適應(yīng)性。

2.4 定子繞組溫度的測(cè)量

選擇損壞數(shù)量最多的2號(hào)機(jī)組，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。由于光纖測(cè)溫元件安裝位置與原來(lái)鉑電阻測(cè)溫元件安裝位置有差別，導(dǎo)致測(cè)量得到的溫度值也有差別，對(duì)于同一根定子繞組，端部（光纖測(cè)溫元件安裝處）溫度低于繞組內(nèi)部（原鉑電阻測(cè)溫元件安裝處）溫度。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

采用先進(jìn)、準(zhǔn)確的熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)，可以替代傳統(tǒng)鉑電阻測(cè)溫方式，為定子繞組的運(yùn)行狀態(tài)判別提供了參考。但仍存在以下問(wèn)題，本文在此提出，為下一步的研究工作提供參考。

一是由于目前加裝的27個(gè)光纖測(cè)溫探頭數(shù)據(jù)只能測(cè)量端部溫度數(shù)據(jù)，由于測(cè)溫探頭的安裝位置發(fā)生變化，測(cè)量的溫度的也存在差別，需要分別對(duì)探頭溫度進(jìn)行修正。同時(shí)，也需完成溫度模型的建立，才能得出更加精確的溫度數(shù)據(jù)。

二是需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行來(lái)積累不同季節(jié)的歷史數(shù)據(jù)，從而對(duì)定子繞組的溫度監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化，以提升溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

三是由于缺少故障數(shù)據(jù)，對(duì)于溫升相似性故障的表現(xiàn)能力如何，不能得到實(shí)際的驗(yàn)證，后續(xù)若有具體的故障數(shù)據(jù)，可以對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。