水轮发电机转子温度在线监测系统的创新开发

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 吴冬雪

三峡电站右岸的水轮发电机单机容量为700MW，是国内首次独立研制的世界巨型水轮发电机，在这种世界最大的水轮发电机上采用全空气冷却方式也是首次，没有运行经验。传统上应用的转子温升试验方法只能测量电机转子线圈的平均温升，不能反映温升分布及热点状况：即使其平均温升达到要求，却很可能存在局部过热点等隐患，因而不能准确反映发电机运行的安全状况。

现在三峡电站业主要求在线监测发电机转子励磁绕组线圈的温度分布，以便保证机组的绝对安全运行。三峡电站招标标书上最重要的要求就是确保机组的安全稳定运行。因此，国家水力发电设备工程技术研究中心在水力发电设备国家重点实验室进行了试验研究，开发了一种采用无线式遥控传感技术的水轮发电机转子线圈温度的在线监测系统，并成功地应用在三峡电站，获得电站业主的好评。

1 测量方法

转子线圈温度分布在线测试系统直接测量法。采用符合耐压要求的特制温度传感器， 直接安装在励磁线圈需要测量的部位。在运行中的转子磁极线圈上测量得到的温度，通过数据采集记录仪和工业总线并由无线式数据传输模块放送出去，而由固定不动的定子上机架上装设的无线式数据传输模块通过非接触式的遥感技术接收这些温度数据，并经过工业总线传输到上位计算机。

温度传感器布置在两个位置相距90°的磁极的线圈上，每个磁极线圈上布置有12 处测点，在其通风系统中的背风面安装5点，迎风面安装5点，上端面安装1点，下端面安装1点。每台发电机的测点总数为24点。

2 测试系统

开发的这种新型转子线圈温度分布实时在线测试系统，主要由电源变换器、温度传感器、数据采集记录仪等组成。

2.1 电源变换器

采用的DC-DC电源变换器可把发电机的励磁电压直接转换为该测量系统所需要的稳定的直流电源。它解决了安装在旋转的转子上所有仪器的长期供电问题，是检测系统的关键部分。它最显著的特点是：具有较高的可靠性、较宽的电压输入范围、较高的转换效率、较低的噪音、体积小、重量轻、电磁兼容性好等。

2.2 温度传感器

选用的 Pt100型热电阻温度传感器的外形类似M6x8 螺栓，是工业应用中可靠而又成熟的测温元件。本系统温度传感器采用的是三线制工作方式，其主要技术指标和特性如下：（1）测量范围：-50℃ — +200℃；（2）非线性误差：0.35% FSL；（3）传感器外壳与引线之间的耐压： 2500V；（4）工作可靠、技术成熟、稳定性好。

2.3 数据采集记录仪

自行研制开发的数据采集记录仪是水轮发电机转子线圈温度分布测量系统的核心仪器，在计算机的控制下，它将Pt100型温度传感器测得的温度信号，经过数据处理后通过RS-485总线传输给计算机。它是一台数字式温度数据记录仪，可以脱离计算机，在程序的控制下自动巡检、采集接入其中的Pt100型温度传感器的温度信号，同时记录下来采集温度数据时刻的绝对时间。

该数据采集记录仪采用了SOC 片上的系统单片机，所记录的试验数据，只要不输入“清除”数据命令，即使仪器断电后，它所采集记录的数据仍然可以反复读取。它的主要功能和特性如下：（1）测量范围：-50℃～ +200℃；（2）测量精度：0.5级；（3）温度传感器输入通道数量：12通道；（4）温度传感器输入方式：三线制电阻测量；（5）仪器供电方式：采用“锂”的离子充电电池或直流输入。

2.4 无线式数据传输模块

无线式数据传输模块的应用是水轮发电机转子线圈温度分布测试系统的创新。它可以在工控计算机控制数据采集记录仪工作中，把数据采集记录仪采集的温度测量值传送给上位工控计算机，并显示在温度监测界面上，从而实现发电机转子线圈温度分布的实时在线监测。

选用的无线式数据传输模块，应用了超短波数字传输电台的原理。模块频率范围是223.000 MHz ～235.000 MHz，信号调制型式为16K0F3D(E),可以克服发电机内电磁场对数据传输的干扰，实现安装在发电机内部固定的上机架与旋转的转子中心体上的无线式数据传输模块之间数据的可靠传输。

3 真机测试

为了深入研究发电机的通风冷却问题，验证电机通风系统的冷却效果，保证巨型水轮发电机运行安全，在三峡右岸水轮发电机型式试验过程中，采用了新开发的这种新型转子线圈温度分布实时在线测试系统进行了测试试验。受电站现场条件的限制，发电机不具备在额定工况和最大工况下运行条件，在发电机组输出功率分别为600MW、500MW的工况下，进行了转子线圈温度分布测试试验。在试验过程中，决定在相互之间构成90°的10号和70号2个磁极上安装温度传感器，每个磁极上安装12个。

数据采集记录仪通过RS-485工业总线与无线式数据传输模块相连。无线式数据传输模块安装在发电机转子中心体上，并随转子旋转。此外，无线式数据传输模块还安装在发电机固定的定子上机架上。

三峡26号水轮发电机转子线圈温度分布测试试验数据如下：

（1）当运行在有功功率为600MW、无功功率为140MVar工况下，传感器位置共置于12处时，10#磁极的温度数据（℃）为42.3～58.6；70#磁极温度数据（℃）为42.1～556.9 。

（2）当运行在有功功率为500MW、无功功率为140MVar工况下，传感器位置共置于12处时，10#磁极温度数据（℃）为41.5～556.7；70#磁极温度数据（℃）为41.3～553.4 。

4 结论

（1）水力发电设备工程技术研究中心在水力发电设备国家重点实验室研究开发的巨型水轮发电机转子磁极绕组线圈温度分布的实时在线监测系统，填补了国内空白，达到了世界先进水平。

（2）这种新型的温度监测系统采用了现代化的非接触式遥感技术、无线式数据传输模块等最先进的技术。在三峡电站的应用实践证明，数据的测量和传输，既快速、准确而又及时，完全能够保证发电机绝对不会因为转子绕组线圈温度过高而引发停机事故。

（3）所开发的科研成果也可以推广应用于三峡电站以外的其它大型水轮发电机上，而且对于新产品的设计、现有产品的运行维护和老产品的技术改造和更新换代都有很大启发。