水轮发电机转子测温新方法

赵小丹++程兴智++龙元刚

摘 要：水轮发电机转子温度测量问题一直是困扰水力发电系统专业技术人员的一大难题，传统的测温方法只能测量转子绕组的平均温度，不能测量每个磁极各部的温度，无法实时监测转子各部的温度变化情况，已无法满足正常的运行要求。新型的红外光电测温法，采用非接触红外线测温技术，成功的解决了以上问题，可以实现对转子各部温度的实时监控，准确掌握转子各部温度的变化情况，为机组的安全稳定运行提供了有力保障。

关键词：发电机转子 伏安法 红外光电测温法 红外传感器

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0008-02

云峰发电厂位于鸭绿江中上游的吉林省集安市青石镇，是中朝两国在鸭绿江界河上合资兴建、共同受益、中方管理的大型水力发电工程。全厂共装水轮发电机组4台，单机容量11.5万kW，总装机容量为46万kW，其中1、3号机组向中方50 Hz系统供电，2、4号机组向朝鲜60 Hz系统供电。4台机组自投运以来，已连续运行46年。

水轮发电机组主要有水轮机、发电机、调速器及其它辅助设备组成。发电机主要有定子、转子等组成。水轮发电机转子由于需要施加较大的励磁功率，因此就变成了一个大的发热体，其温度的持续升高，直接影响水轮发电机的安全运行，因此必需对其温度的变化进行实时监控。多年来水轮发电机转子温度测量问题一直是困扰水力发电系统专业技术人员的一大难题，传统的测温方法（伏安法）只能测量转子绕组的平均温度，不能测量每个磁极的各部温度，用传统的方法检测转子的温度费时费力，而且此温度值是整个绕组的平均温度，无法确定每个磁极绕组的温度、每个绕组各部的温度、磁极铁心的温度等等。事实上每个绕组和绕组各部的温度是不完全一样的，每个磁极铁心的温度和铁芯各部的温度也是不一样的，要想更确切地了解转子各部具体的温度值，传统的检测方法是无法满足要求的。还有一种方法就是在转子本体上安装测温装置，然后在转子旋转的过程中用光电的方法传递给固定部分，这种方法对转子的动平衡会产生影响，使转子在运行中出现振动。因此，探究一种新的温度检测方法以满足生产现场的需要，是一个十分迫切的任务。

为了解决上述问题，经过认真的研究分析，提出了一种新型的转子测温方法--红外光电测温法。即采用非接触红外线测温技术，测量转子旋转过程中转子绕组和铁芯各部的温度，实时监控各部的温度变化情况，为机组的安全稳定运行提供保障。

1 云峰发电厂水轮发电机组概况

云峰发电厂共有4台立式发电机组，4台发电机的型号均为TS854/210-40，额定容量为115 MW，额定定子电压13.8 kV，额定转速150 r/min，转子电压DC385 V，额定转子电流1300 A，转子电流密度2.05 A/mm2，转子重量530t，转子直径Φ7.8 m，转子高度3.12 m，转子磁极数40个，转子磁极宽度57 cm，转子磁极高度2.4 m，转子磁极厚度46.5 cm，每个磁极重量3.3 t，磁极线匝数30匝，每匝平均长度520 cm，磁极铜线尺寸8×76/68，磁极线圈阻0.2042 Ω，转子最高允许温度130 ℃，温升95 ℃，冷却方式为强迫风冷。

2 传统的转子温度测量方法

由于发电机在运行的过程中，转子在不断地旋转，因此用测量定子温度的方法去测量转子的温度是不可行的，只能用“伏安法”来测量转子的平均温度。即用发电机转子绕组两端的直流电压和转子中流过的电流，根据欧姆定律先计算出某一时刻转子绕组的直流电阻，由于转子绕组是由铜导线绕制而成的，当温度变化时其电阻也随之发生变化。根据下列公式便可算出转子绕组的平均温度。

传统的转子温度测量是根据下式计算得到。

T=235（℃）

式中：R15----转子15℃时的电阻值。

1号机：R1F15=0.1891Ω

2号机：R2F15=0.1667Ω

3号机：R3F15=0.1878Ω

4号机：R4F15=0.191Ω

Rt-----为计算值。即Rt=（Ω）

U转子---运行中测得的转子电压，单位为伏（V）

I转子---运行中测得的转子电流，单位为安（I）

3 红外光电测温的原理

3.1 红外光电测温系统的原理概述

在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。红外测温系统是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度，测温装置的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示出来，其原理框图见图1。

红外光电测温系统由红外线光电探测部件、信号放大及转换、数字过滤波及抗干扰、信号处理及运算、现地显示及报警输出、上位计算机系统等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温系统的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

测温系统在线检测发热点的温度，通过扫描，还可以绘出每个磁极温度分布图，而且灵敏度高，不受电磁场干扰，便于现场使用。它可以在-20～2000℃的宽量程内以0.05℃的高分辨率检测电气设备的热致故障和电气设备中的局部过热点等等。

3.2 测温系统光电传感器的布置

红外传感器1（HW1）布置在转子的上端，对准磁极绕组的上端边，用来测量磁极绕组上端的温度。距离被测体20 cm。

红外传感器2（HW2）布置在转子的下端，对准磁极绕组的下端边，用来测量磁极绕组下端的温度。距离被测体20 cm。

红外传感器3（HW3）布置在转子的下端，斜对准磁极绕组的一个侧边，用来测量磁极绕组侧边的温度。距离被测体1200 cm。

红外传感器4（HW4）布置在转子的下端，斜对准磁极绕组的另一个侧边，用来测量磁极绕组侧边的温度。距离被测体1200 cm。

红外传感器5（HW5）布置在转子的上端，对准磁极铁芯的正面，用来测量磁极铁芯的温度。距离被测体40 cm。

红外传感器6（HW6）布置在转子的上端，对准磁轭上平面，用来测量磁极轭的温度。距离被测体20 cm。

3.3 系统达到的指标

光纤探头可在160℃的环境长期工作；测温范围：-32～400℃；基本误差：0.5（± 0.5%）；测头尺寸：φ14×80 mm；距离系数：50：1；测量距离：0.2～3 m；可测最小目标：φ6；响应时间：小于10 ms；温度分辨率：0.5℃；测量精度：满量程的±0.5%；重复精度：±0.2；光纤长度：最长10 m；模拟输出：0～5VDC，4～20 mA；工作电源：±12VDC；工作环境：探头小于160℃；信号处理单元小于60℃；相对湿度：30℃时10%～95%；响应光谱：7～18 micron；发射率：0.95 Preset；重量：0.7 kg。

4 结语

红外光电测温法很好地解决了水轮发电机转子温度测量问题，与传统的测温方法相比，红外光电测温法可以实现对每个磁极绕组、每个绕组各部以及磁极铁芯温度的实时监控，根据监控数据可以准确掌握各部件的温度变化情况，从而掌握机组的运行情况，保证机组的安全稳定运行。且安装简单，可操作性强，因此具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 杨立，杨桢.红外热成像测温原理与技术[M].北京：科学出版社，2012.

[2] 张诚，陈国庆.水轮发电机组检修[M].北京：中国电力出版社，2012.

[3] 郭纪雄，马晓飞.有心才有为[N].中国电力报，2011.