抽水蓄能电站温度采集系统的设计与应用

张学峰，李建辉

（惠州蓄能水电厂，广东 惠州 516100）

抽水蓄能电站在电网中担任调峰填谷的重要任务，机组的安全稳定运行为电网的安全稳定提供了重要保证[1]。机组各部分温度是抽水蓄能机组重要的监控对象，温度采集系统的运行情况直接影响到发电机组能否安全稳定运行。在水电行业中，测温系统性能不稳定、可靠性差是非常普遍的问题，由于性能不稳定会导致温度信号误报，严重时可造成机组事故停机，这对于机组寿命及电网的安全都会造成不可估量的影响。因此，分析温度采集系统故障原因，提高系统的长期稳定性和可靠性是一项非常紧迫的工作。

1 温度采集系统的组成及作用

温度采集系统主要由测温电阻、温度采集回路和温度采集装置三部分组成。测温电阻是水电厂最重要的传感器，它是将被测物体的温度以电阻的形式反映出来，然后交由温度采集装置进行处理。温度采集回路是将测温电阻的值上送至温度采集装置的通道。温度采集装置将上送的温度信号进行处理和判断，实现水电厂对温度信号的监控。

在抽水蓄能电站中，温度采集系统主要用于定时采集机组定子铁芯、定子线圈、机组推力轴承瓦、上/下导轴承瓦、水导轴承瓦、各部轴承油、冷却器水、冷却器油、主轴密封、上/下迷宫环及其他系统的温度，检查采集的温度量是否越限，并及时将越限情况及数据传送至机组LCU并发出报警。对部分温度量还要进行温度变化率监视和温升趋势分析，以便及时发现异常情况。由于抽水蓄能机组具有启动频率高、启动时间短、机组转速快、运行工况复杂等特点，温度采集系统的设计是否合理和完善，关系到机组能否安全、可靠和稳定地运行。温度采集系统的设计主要从测温电阻的选型、安装，回路的设计以及温度采集装置结构和功能的设计等几个方面考虑。

2 惠州蓄能水电厂温度采集系统存在的问题

惠州蓄能水电厂 （以下简称 “惠蓄”）在机组调试阶段曾多次出现因温度测量问题导致的误报警甚至跳机事件，总结原因如下：①测温电阻损坏 （主要是推力瓦温传感器）；②端子松动；③温度传感器接头松动或进水；④温度采集装置工作不稳定，与机组LCU之间的modbus通信时常中断；⑤温度采集装置的DO输出模块容易损坏，无法正常使用该装置的硬件跳机回路；⑥温度采集装置只有信号断线故障判断功能，不具备因测温电阻故障或回路松动导致温度跳变引起误发报警和跳机信号的闭锁功能；⑦温度采集装置采用单电源交流220 V供电，供电可靠性不高，一旦掉电机组将处于无温度保护运行状态，风险较大；⑧温度采集装置的输入及输出模块各个通道布局过于紧密，难以接线和进行其他维护工作；⑨目前该型号的温度采集装置已经停产，备件难以采购。

综上所述，由于温度采集系统存在诸多问题，致使无法保证机组的安全、可靠、稳定运行，电网安全受到影响。为此，进行了温度采集系统的改进。本文结合系统改进过程，从测温电阻的选型和安装、测温回路的设计以及温度采集装置功能三个方面，详细介绍了比较合理和完善的温度采集系统的设计、安装及运行要求。

3 测温电阻的选型和安装

惠蓄采用阿尔斯通 （ALSTOM）的机组，所以传感器都是进口传感器，传感器本身非常好，但由于不是为特定的使用环境制作的，因此经常出现一些问题。如：传感器结构的问题、导线在根部断开的问题等。不同的电厂有不同的特点，对测温电阻的要求也不相同，测温电阻如果不进行有针对性的设计，再好的传感器也会出问题。因此，测温电阻的选型是基础，一定要结合现场实际情况，根据机组各部分的工作环境，选择合适的产品和型号[2]。以下结合实例进行详细说明。

3.1 推力瓦测温电阻的选型

推力瓦用于承担整个发电机转子及水轮机的重力，是机组非常重要的承重部件。推力瓦瓦温是机组非常重要的监测点之一，若瓦温过高，可能发生烧瓦，将直接影响机组的安全运行。推力瓦测温电阻安装于推力瓦内，从瓦里引出来后，导线有一段距离在油槽中，根据现场情况沿着某个方向将导线盘在一起，从油槽里出来后再连接到端子箱上。在机组正常运行时，机组高速旋转，带动油盆内的油也高速旋转，会对测温电阻不断产生冲击。另外，对于抽水蓄能机组而言，由于机组发电工况和抽水工况的旋转方向相反，容易导致电缆与传感器的结合部位断裂。

多次出现推力瓦瓦温传感器损坏后，重新进行了选型，选择采用全铠装封装工艺的铠装RTD测温电阻 （见图1）。这种类型的测温电阻将电缆和测温电阻根部集体封装，构成一个整体。在油盆内部的电缆铠装后，极大地增加了传感器的抗冲击性，经过长期的运行检验，没有再发生传感器根部断裂情况，运行稳定。

图1 铠装后的测温电阻

另外，对于上导瓦、下导瓦和水导瓦而言，也宜选择此类带有铠装工艺的测温电阻。对于特定的电厂，测温热电阻都要进行有针对性的设计和制造，使其能最大程度地满足现场实际条件。

3.2 测温电阻尾部连接方式的选择

测温电阻尾部连接有导线全密封和带连接接头两种结构形式，现在起码有1/2的电厂采用后者，这种结构的优点是拆卸方便，一旦传感器发生问题，可以在不用动导线的情况下把传感器换下来。但是，要根据实际的工作环境选择合适的测温电阻的接头方式。比如对于水导轴瓦测温电阻而言，接头一般是固定在水导油盆盖上的，由于机组振动较大，接头经常出现松动，在紧固过程中接头经常损坏。此类现象在惠蓄机组调试过程中曾多次出现，极大地增加了机组的运行风险和维护难度。在振动较大的情况下，建议采用图2所示的测温电阻接头，该接头有如下优点：①接线空间比较大，接线方便；②采用弹性垫片，增大了缓冲，不容易松动；③接头处接触良好，使松动的可能性大大降低。

3.3 测温电阻的安装

测温电阻要根据现场实际情况进行安装。一般水轮机的瓦数为偶数，如16块或24块等，每个瓦上装有一个测温电阻，有时根据现场情况有的瓦装有2支测温电阻，分别输送到不同的采集装置。对于推力瓦而言，在抽水蓄能机组中，由于机组存在正、反两向转动，导致同一块瓦的两个测点测得的温度差异较大，为了准确测得不同工况下的正确瓦温，推力瓦的测温电阻在安装时最好采用对半的原则，即两个方向上的测点各占1/2，然后每个方向的测温电阻信号送至不同的温度采集装置。

图2 建议采用的接头

对于导线在油盆内部安装的测温电阻，在固定导线时，一定要选择专门供油盆内使用的绑扎带进行固定。一般的绑扎带在高温油中长期浸泡会老化甚至断裂，断裂的绑扎带在油盆内旋转容易引发其他事故。

另外，对于导线经油盆壁的接口处，在安装过程中要特别注意，由于机组在运行过程中振动较大，温度较高，容易导致漏油或者磨破电缆绝缘层，因此在安装时要做好密封材料的选择、防漏处理以及电缆绝缘层的保护工作，电缆要选用专业耐油 （油槽）电缆。

4 温度采集系统回路的设计

为了方便今后的维护和减少故障点，回路设计时应尽可能减少中间转接环节。在机组运行过程中，由于振动等原因接线端子松动是很难避免的，所以应合理设计各个温度信号的回路。一般情况下，每个回路只设置一个转接端子箱，温度传感器直接接入端子箱，然后拉电缆直接将信号接入温度采集装置。

此外，中间端子箱的安装位置应选择合理，最好选在方便维护的地方。在运行过程中若发现温度信号出现异常，测量的温度值不断波动或者温度值为最大或最小值时，应考虑是否是接线松动的缘故。比如发电机定子绕组等温度传感器的转接端子箱不能安装在发电机风洞内，否则，当出现故障时无法及时排除故障。

中间端子箱一般采用端子排的方式实现电缆的对接，端子排在选型时要注意选用防氧化能力强的端子排。在惠蓄调试期间，曾发现由于端子排氧化造成测温电阻阻值大幅度增大的情况，为此，对端子排全部进行了更换。

有些电厂由于没有对测温电阻实施有效的屏蔽，发电机的强电场和强磁场对测温电阻信号的干扰造成测温不准。因此，一定要做好每个环节的屏蔽工作。

5 温度采集装置功能的完善

5.1 硬件布局

针对惠蓄温度采集装置的不足进行了改进，改进后的温度采集系统布局如图3所示。

图3 温度采集系统结构

该系统由2套温度采集装置、1个HMI人机界面和1个温度记录系统组成，温度采集装置通过modbus或其他通讯方式实现与机组LCU的通讯，完成LCU对机组各部分温度的监视和控制。

采用两套温度采集装置是为了防止在机组运行过程中由于装置损坏或其他故障导致机组在无温度保护的情况下运行。一般来说，温度信号的接入应采用间隔输入的方式来实现，比如对于推力瓦而言，若共有12块推力瓦，则应采用奇数号瓦的温度信号接入一个温度采集装置，偶数号瓦的温度信号接入另一个温度采集装置。当一个温度采集装置因电源丢失或其他原因无法正常运行时，另一个温度采集装置可以继续工作，实现对机组的保护。其他系统的温度信号接入也大致采用这种方式。

HMI为本地管理显示界面，要求可以通过HMI现地查看机组各部分温度的实时数据，配置各通道的报警、跳机值，各通道温度的补偿值，进行梯度值的设置和修改，补偿值的设置和修改，以及通道的闭锁和开放功能。

温度记录系统应能存储大量的温度数据，实现温度数据的历史查询，并且实现每秒至少一个采样点的采样频率。

另外，对于温度采集装置的电源配置应采用双电源配置方式，防止因电源丢失导致的风险。

5.2 逻辑、功能

温度采集系统的主要功能是监测机组各部分的温度状况，对于重要设备设置高温度报警和跳机出口，确保机组各部分的安全稳定运行，具体功能设置如下：①温度采集装置通过通讯方式将实时的温度信号传送给机组LCU，实现对机组各部温度的监视；②温度采集装置对各通道温度信号进行补偿计算，保证温度测量的准确性；③对各通道的温度输入值进行处理，产生H报警值和HH跳机值，通过通讯方式传送给机组LCU；④设置各通道温度信号断线和梯度越限闭锁跳机保护功能，即当由于断线或端子松动导致温度跳变频繁时闭锁跳机；⑤当发生梯度越限时，温度采集装置应产生报警信号，并传送给机组LCU，以方便维护；⑥温度采集装置的一个重要作用是当温度超过跳机值时能准确地发出跳机令，并将跳机令下发给机组实现跳机，以保护机组。图4是跳机令的下发回路，首次温度采集装置应配置有硬布线出口，当温度达到跳机值时出口动作，将信号一路传送给机组LCU，另一路直接传送给机组跳机继电器；机组LCU通过程序判断后也应提供跳机出口，经DO下发至跳机继电器，实现跳机回路的安全、可靠运行。

6 小结

图4 硬布线跳机令下发回路

温度采集系统是发电机组及其辅助设备的重要保护装置，由于测点特别多，所以风险很大，系统设计的好坏以及系统中的各个环节都将直接影响机组能否安全稳定运行。温度传感器的合理选型可以在很大程度上减轻由于设备损坏导致的工作量，回路设计合理可以减少误动作的可能性，而系统设计的完善可以确保机组正确、可靠地运行。惠蓄采用改进后的温度采集系统后，运行稳定，情况良好。

［1］ 文伯瑜，姜龙华.现代水电厂计算机监控技术与试验［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］ 梁森，等.自动检测技术及应用［M］.北京： 机械工业出版社，2006.