转子磁极直接接触式温升测量方法研究

曹　波，杨　斌

（国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江杭州311600）



转子磁极直接接触式温升测量方法研究

曹波，杨斌

（国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江杭州311600）

摘要：转子磁极是水轮发电机组的核心部件，其温升也是机组性能的一个重要指标。目前测量磁极温升的传统方法是采用电压电流法，而本文介绍了一种新型直接接触的方法进行磁极测温，并取得了一定的研究成果。

关键词：直接接触；磁极；温升

1　引言

转子磁极是水轮发电机组的核心部件，是产生电能的基础，其温升也是机组性能的一个重要指标，一直以来备受关注。转子磁极做为转动部件，一般无法直接测温。目前国内外对于磁极温度的测量，一般是采用传统的方法，即电压电流法，这是一种间接的方法，通过测量转子磁极的电压和电流，计算得出磁极的电阻，进而推算其温度。

电压电流法较为传统，也有一定的局限性和片面性。电压电流法测量的是整个磁极绕组的电压和电流，计算得出的也是整体电阻，这种方法确定的只是整个转子绕组的平均温升，无法反应特定区域的情况。

本文介绍一种转子磁极直接接触式温升测量的方法（以下简称直接法），这种方法在磁极绕组铜排上埋设铂电阻，并通过导线传递温升，记录在录波装置内，其测量数据量较多，能反映不同区域的温度，对于温升评估及学术研究具有积极的意义。

2　项目研究背景及原理介绍

2.1项目研究背景

新安江电厂6号机组原转子磁极存在温升偏高的问题，其主要原因是磁极绕组铜排型式为矩形铜排，不利于散热，为解决这一问题，2013年至2014年电厂进行了磁极改造，更换了全部40只磁极，新型的磁极绕组采用带散热翅的异型铜排，通风散热效果大大改善，转子温升大幅度下降。

在本次磁极改造中，为了详细地了解磁极绕组的温升情况，掌握磁极不同位置的温升情况，电厂开发出一种磁极直接测温方法，结合磁极改造，进行了温升测量试验。

2.2原理介绍

转子磁极直接测温最大的难题在于转子是旋转部件，测温元件无法与其直接接触，国内曾出现过红外测温的方式，在固定部件上安装探头，通过红外线的方式探测磁极温度，但准确度不高。在常规思维里，测温记录装置总是在机组外部的，而现在最大的难题在于转动部件和固定部件的接口问题，但我们如果打破常规，从另一个角度思考，可以让记录装置和转子一起旋转，那么相对转子磁极，记录装置就是静止的，不需再考虑旋转的问题了。

根据这一理念，我们开发出了直接法测温装置，其工作原理为：在绕组铜排内埋设铂电阻，电阻通过导线和记录装置相连，温度实时记录在记录装置内，而记录装置则放置在转子中心体内，完成一次测温试验后，将记录仪取下，通过优盘读取记录仪中数据，并导入电脑，直观显示转子磁极温度。

新安江电厂开发的直接法测温装置共有三个核心模块，即测温装置、测温导线、记录装置。

3　测量装置

选取2只磁极做为试验磁极，安装测量装置，每个磁极上布置6个PT100电阻，电阻标准按IEC751B级，电阻测量温度范围0～155℃，测量精度±1℃。

3.1电阻安装布局

电阻通过埋设法安装于磁极绕组铜排内部，分6处安放，分别位于磁极头部中间处、磁极尾部中间处、磁极侧面中间处（2个）、磁极侧面上中处、磁极侧面下中处。

3.2电阻埋设

在磁极绕组铜排处，开2.5mm深的凹槽，长80mm，宽15 mm，PT100埋设于内，间隙采用室温固化胶填充，并不得高于铜排表面，具体见图1。

图1　测温电阻埋设图

4　测温导线

4.1测温导线的性能

测温导线起着连接的作用，每个电阻都有一个专用的测温传递导线，导线一头连接着测温电阻，一头接入温度记录仪，将温度数据实时传递出去。测温导线芯线型式为3根玻璃丝铜绞线，芯线材料为镀锡铜线，绝缘护套材料为聚全氟乙丙烯。芯线结构为n×0.2 mm，截面积为0.25 mm2。在转动部件上工作，安全性和可靠性非常重要，应能承受一定的高电压、拉力和高温。经过测试，测温导线可进行1kV交流电耐压1 min，热电阻完好无损，在160 N的拉力下，导线无变形，其工作温度也在-100～+180℃之间，完全满足测温要求。

4.2测温导线的布局

测温导线沿磁极背板铺设，每隔一段采用扁铁固定，扁铁与磁极背板电焊固定，具体见图2，现场照片见图3。

5　记录装置

记录装置由测温记录仪、采集箱、电池、盖板等组成。记录装置安放在发电机内部，并安装牢固，随机组转动，在机组运行时实时记录转子磁极温度。记录装置共2套，每套负责记录一只试验磁极的温升数据。测温记录仪选用专用无纸记录仪，采样周期选30 s（可调节），与传统的电压电流法每30 min一个点相比，数据量大大增加，数据更有指导意义。

图2　测温导线布线图及固定图

图3　试验磁极及测温导线照片

5.1测温记录仪的性能

测温记录仪在发电机内部工作，需具备良好的性能，否则会给机组安全运行带来隐患。专用无纸记录仪具备如下性能：高速旋转状态、强磁场环境、高温环境下，可真实记录数据；采样频率高，可在1s、2s、5 s、10 s、15 s、30 s、1 min、2 min、4 min选择；采样时间长，按每30 s一组数据，可采样120 d；备数据导出功能，支持USB2.0协议，支持优盘容量2GB。记录仪由24 V直流电源（由干电池并联组成）供电。在新安江电厂实际测温试验中，试验时间长达10个h，记录仪一直安全可靠工作。

5.2测温记录仪的安装

为固定记录装置，并且保证对发电机组运行时不受影响，特制了一个采集箱，用于安装记录仪，采集箱由6 mm不锈钢板焊接而成，为箱型，测温记录仪和电池放置在采集箱内。采集箱焊接在转子轮臂孔内。其上有上盖板，侧面有侧盖板，上盖板和侧盖板通过螺栓与采集箱连接，为方便散热，在测温采集箱上盖板上加工有5只φ30的通气孔。

6　直接法测量结果的可信度和准确度

新安江电厂2013年进行了直接法测温的试验，试验非常成功。为了验证直接法测温的准确性，进行了两次比较，一是和电压电流法比较，这是比平均值，考察直接法测量的可信度，二是和理论计算相比较，新安江电厂6号机磁极改造前，由磁极设计单位进行了温升计算，不仅对整体温升有过理论计算，而且对磁极的各个部位的温升情况也进行了计算，通过比较每个测点的温度和理论计算值，可以判断直接法测温的准确度。

6.1直接法与电压电流法平均温度对比

在进行直接法测温试验的同时，新安江电厂也进行了电压电流法的试验，并对两组数据进行比较。直接法测量转子温度，每30 s一个点，数据量非常庞大，但电压电流法30 min一组数据，总共只测13组数据。为便于比较，将直接法中同一时间（按照电压电流法的时间）的数据导出，得到如下对比表1。由于直接法测温共12个测点，数值存在区别，因此，比较结果采用2只测温磁极12个测温点的算数平均值。

表1　直接法与电压电流法平均温度对比　单位：℃

从表1可以看出，电压电流法和直接法测出的温度数据差别不是太大，每组数据都在10℃以内，温度变化趋势完全一致，即每组数据都是电压电流法数值比直接法数值大，具体可见图4。

直接法和电压电流法的温度数值存在差别，差值为6～10℃，原因是电压电流法考察的是整个励磁绕组的电阻变化，是一个综合的评估，而直接法测温得到的数据，我们进行了算术平均，而实际上磁极绕组的温度分布并不是均匀的，所以导致的差别的存在。但从温度趋势上看，两种方法几乎完全一致，因此直接法测量转子磁极温度数据是可信的，对于评估转子磁极温升情况具有学术意义的。

图4　直接法和电压电流法测温结果对比图

6.2直接法测量结果和理论结算的比较

前文我们对两种磁极测温方法的数据结果进行了比较，得出了直接法测温是可信的，那么他能否真实反映磁极不同部位的温度情况呢，我们将测量结果与磁极温升理论计算结果进行了比较。

图5根据磁极绕组温度场计算得出的磁极绕组温度分布云图，从磁极长度方向的中部作了一个切面，根据理论计算，磁极绕组不同部位的温度存在差别，温度高低排序依次为：背风侧中部、背风侧中上（下）部、端部、迎风侧中上（下）部、迎风侧中部。

图5　磁极绕组温度分布云图

在直接法测温试验中，每个磁极共设置6个测温点，两端部（顶部和下部）各1个，中部两侧各1个，中下部两侧各1个。编号为：迎风侧中下部1号、迎风侧中部2号、顶部3号、背风侧中部4号、背风侧中下部5号、下部6号。直接法测温数据曲线见图6。

图6　直接法测温数值趋势图

从测温图上可以看出，温度高低依次为4号点、5号点、6号点、3号点、1号点、2号点，即背风侧中部、背风侧中下部、下部、顶部、迎风侧中下部、迎风侧中部，与理论计算完全一致，据此可以推断，直接法测温可以反映磁极绕组不同区域的温度。

7　结束语及展望

磁极绕组温升是发电机一个非常重要的性能指标，意义重大，控制温升可以降低绝缘老化损伤的风险，提高机组的安全性，延长使用寿命。采用直接法测量磁极温升，可以得出大量数据样本，对于科学分析的意义更大，因为是直接接触绕组，与电压电流法相比更有真实性，更能反映真实情况。另外直接法测温能反映不同区域的温度，其最高温度点实际意义更大，因为这个区域的温度对于绕组绝缘的影响起到决定性的作用。

这种直接测量方法投入成本低，安装也较为方便，操作比较简易，在大多数电厂都可以实现，测量数据准确，能真实反映转子磁极的温升，值得同行业借鉴和推广。

参考文献

[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2]陈锡芳.水轮发电机电磁与计算[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

作者简介：曹波（1984-），男，工程师，从事水电站机电技术管理工作。

收稿日期：2015-12-08

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.020

中图分类号：TM312

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）04-0060-04