抽蓄机组转子磁极连接线无线测温技术

文/王书华 韩钊 陈明 周霖轩

1 概述

抽水蓄能电站的发电电动机转子磁极连接点在发电和抽水过程中会因震动导致接触松动或接触面较小带来发热现象，因生产过程中处于密闭环境且检修周期较长，这样给安全生产带来隐患。如果出现类似情况不能及时发现，极容易引起短路、火灾、设备停运、甚至人员伤亡等安全事故，造成巨大的直接或间接经济损失。某电厂磁极连接点采用两颗螺栓固定，有效搭接面积小，运行中受机组振动影响，接触电阻增大，最终导致连接处过热烧损。某公司磁极连接线采用刚性连接，磁极连接线各部件装配时由于修型矫正时引起连接线局部机械损伤，运行中由于振动、温度、电磁力产生的变形产生裂纹，裂纹部位电阻增大，通流后熔断放电拉弧。如果能提前在磁极连接线处部署温度实时监测手段，设备过热情况就会提前预警，故障隐患就可以及时被发现，故障就会避免或将损失降至最低。据有关统计，近年来电厂出现多起因发电电动机转子磁极连接点处异常引起的生产事故，现有的监测技术还无法满足该处的温度监测需求，因此成了监测的盲区，早期的异常没有及时处理，随着时间推移故障程度越来越大，最终带来的损失巨大。

因此，对发电电动机转子磁极连接点的温度进行在线监测并及时排除隐患，越来越应引起足够的重视。由于抽蓄发电电动机内部转子磁极所处空间相对封闭，而且发电电动机运行时磁极是在高速旋转状态，目前国内外还没有有效的测温解决手段。密闭空间温度不能及时探知，即使是极小的故障也会随着时间推移慢慢扩大，最终带来重大的损失。

图1

发电电动机是抽水蓄能电站最主要的设备，发电电动机的运行状态将直接关系到企业安全生产。一旦设备发生内部磁极温度异常，并且没有得到及时的发现和处理，最终带来的损失将非常严重。虽然，已经有企业设计出一些机组磁极连接线测温装置，也有科研工作者发表过一些相关设计性文章，但很多产品根本不适合在高速旋转环境中使用，很多文章只是原理性描述，能否设计出符合标准的产品还与很多设计工艺有关。

鉴于此，笔者与相关电力科研人员进行了探讨，并查阅了大量发电机组测温相关技术资料及技术规范，同时，到电力设备环境进行了实地的考察，在此基础上，对当前机组磁极连接线温度监测情况进行了分析，对机组磁极连接线测温装置技术要求进行了论述，并结合实际工作，研究设计了基于传感网技术的无线无源机组磁极连接线温度监测网。本文的论述，对与水电发电机组相关的工程技术人员具有重要的参考价值。

2 国内外机组磁极连接线测温情况

针对发电电动机转子磁极测温项目，国内外有些机构进行了研究开发，其技术路线大致包含以下几种：间接测量法、有源无线测温、红外测温法。间接测量法，此类方式只能计算设备正常状态下的温度；有源无线测温法即在转子磁极连接线部位加装有源无线测温传感器，由于传感器电池寿命限制，后期带来的维护工作相当麻烦，而红外测温技术是在定子部位加装红外探头，由于转子的转动探头很难有效捕捉到异常发热点，即使捕捉到也无法精确定位，因此适用性不强。

3 机组磁极连接线无线无源测温技术简介

抽蓄机组转子磁极运行状态监测基于声表面波（SAW）技术，该技术是一种在固体浅表面传播的弹性波，SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物。无线无源温度监测系统采用SAW传感器、智能化无线传感网络，适宜在高电压、强磁场、高速转动等恶劣环境参量的条件下运行。可用户发电电动机旋转设别如转子、磁极连接点、连接线等位置监测。

无线温度监测系统使用方便，替代了传统测试系统布线带来的麻烦。无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，使整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。传感器节点体积小巧，重量较轻，由感温模块、采集处理模块、无线收发模块组成，全部模块封装在一个塑料或金属外壳内。采集的数据既可以实时传输至计算机，也可存储在节点内，保证了数据的可靠性。

基于声表面波技术的测温方式温度信号在外部是以电磁波形式传播，电磁波波速300000000m/s，温度信号在传感器内部是以声表面波形式传播，声表面波波速为3000m/s，从采集器发射扫描信号到温度信号返回、解析完成一轮测温过程只需要毫秒级的时间，能够保证在发电电动机转子磁极转动的过程中实时的抓取信号。

4 无线机组袭击连接线温度监测设计方案

通过对机组设备测温监测技术标准、电网通讯标准以及电网设备物理环境的研究，结合无线无源传感技术以及机组设备测温需求，本文提出一种适合水电站发电机机组磁极连接线的无线无源温度监测设计方案。

图2：转子磁极测温设备布局示意图

图3：转子磁极测温系统整体结构示意图

一台发电电动机组内部有6对转子磁极，每对磁极连接处有2个节点需要测温，因此一台机组有24个测温点。传感器工作需要附近的读取天线来发射电磁扫描信号以及接收回波信号，因此读取天线位置的选取较为关键，考虑到发电电动机设备内部有较强电磁干扰，因此需要完善系统抗干扰处理机制。发电电动机转子设备高速转动，要保证传感器可靠的固定，因此需要特别设计传感器的结构和固定方式。为了保证信号采集速度，需要升级读取器的硬件，优化软件算法逻辑。

4.1 适合机组磁极连接线牢靠固定的传感器结构和天线的设计结构设计

根据传感器安装位置设计其结构，传感器是安装在转子磁极连接线处，连接线处采用螺栓连接，可靠的结构和固定方式要保证设备在高速旋转时传感器能够很好的固定。这需要做传感器结构、读取天线结构设计的研究。因此考虑设计音叉式传感器结构，将传感器嵌入在设备螺栓上固定，保证传感器可靠固定，传感器结构如图1所示。

4.2 布局设计

由于发电电动机运行时转子是在周期转动，为了保证信号的良好覆盖需要考虑读取天线的布局设计。根据发电电动机组结构考虑将天线固定在机组的支撑架上，为了保证各个方位的信号覆盖，在发电电动机组的8个角度的支撑架上都放置读取天线，读取天线通过集中端口引入读取器的天线输入口中，读取天线接收的信号在读取器的天线输入口进行汇集、从而保证无论传感器转到哪个位置都能准确接收到温度信号。图2为转子磁极测温设备布局示意图。图3为转子磁极测温系统整体结构示意图。

4.3 通信设计

通信方式可选择布设RS485通信线缆或者采用Zigbee无线组网的方式，根据现场情况，可通过发电电动机组自带的通信线缆通道铺设通信线路，通信线通过集线器形式在监控终端进行集中，从而实现组网监控。

4.4 信号的处理算法

接收信号即包含有用信号，也包含噪声干扰。避免干扰对检测结果的影响非常关键。这需要软件算法上针对不同信号做分析处理，确定是否是有用信号。并对信号进行加权处理，保证得到正确的温度。

5 总结

本文在充分研究机组磁极连接线运行环境、电网技术规范以及目前测温技术的基础上，提出一种无线无源机组磁极连接线温度监测网，该系统是无线传感网在水电站的创新型应用。文章主要对目前机组磁极连接线测温技术进行了分析，在对机组磁极连接线环境进行了调研，对电网相关技术规范进行了查阅，实际设计出一套符合水电站机组磁极连接线测温规范要求的测温系统，实现了在线远程测温，提高了在线监测系统的可靠性和实用性，促进了发电机组设备状态检测技术的发展。