光纤测温系统在水轮发电机定子测温中的应用

李洪超

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 前言

伴随着我国水轮发电机几十年的不断发展与进步，常规新建的水轮发电机各项性能参数指标逐渐趋于优异和稳定，水轮发电机的关键技术也日渐发展趋于成熟，因此越来越多的电站开始关注水轮发电机的在线监测技术，以便对机组的健康状况进行有效地判断，光纤测温技术也开始受到了更多电站的关注[1-4]。

2 光纤测温技术的发展

对于常规水轮发电机来讲，在定子上通常进行在线监测的位置包括定子绕组、定子铁心以及定子端部压指等，测温方式采用铂电阻温度计Pt100 对被测位置进行温度在线监测。但定子温度计在初次安装之后具有更换困难的特点，尤其是定子绕组温度计。而铂电阻温度计在经历长期使用后，容易出现温度计断线、测量温度漂移等问题，因此水轮发电机的定子在经过多年运行后很容易出现无法正常监测实时温度或监测温度不准确的情况，对电站运行造成很大困扰[5]。甚至一些运行时间比较长的电站的所有定子电阻温度计全部已无法使用，而且一定时间内没有更换温度计的检修周期，只能临时采用在定子绕组等关键部件旁边临时增加外部温度计测点的方式粗略地监测定子温度，监测温度的准确性大幅度降低，还存在一定安全隐患。

近十几年来，为解决上述问题，尤其是铂电阻温度计长时间使用后容易产生的测量温度漂移问题，为更好地监测水轮发电机定子关键部件温度情况，推进水轮发电机定子温度在线监测技术的提升，光纤测温技术逐步进入国内各个水电站的视线，逐渐有电站利用在机组技改时尝试在水轮发电机定子上增设光纤测温点。

最开始时，主机厂及电站人员对光纤测温技术的了解还不够深入，只是针对已投运电站利用检修期间在个别机组的定子铜环引出线处设置光纤测温点，安装比较方便，对电站运营影响也较小，只需将光纤传感器放置于铜环表面并在光纤传感器外部绕包绝缘并检查电气及绝缘性能即可。在验证光纤测温技术的有效性以及对发电机其他设备没有造成其他不利影响后，光纤测温技术逐步发展应用到绕组、铁心等部位。

当验证光纤测温技术在定子上的在线监测有效可靠后，近些年部分新建电站则开始有计划地在电站建设之初就将光纤测温技术规划纳入到水轮发电机定子温度在线监测系统中，并在主机设计和生产时将其融入进去，与现有的铂电阻温度计测温技术形成对比，甚至已有个别电站已在定子上取消了常规RTD 测温，而改为全部使用光纤测温的方式进行定子温度在线监测。可见在逐渐积累一定经验后，光纤测温技术在水轮发电机上的应用正在快速发展。

3 光纤测温技术原理

目前在水轮发电机领域应用的可以对被测体特定位置进行实时在线监测的光纤测温技术主要包括荧光光纤测温技术、光栅光纤测温技术和半导体砷化镓光纤测温技术，各技术的光纤测温原理均有不同。

荧光光纤测温技术是基于荧光寿命的一种检测方式，主要是利用了某些荧光物质内部电子在接受一定波长的光能量从基态跃迁到激发态再从激发态返回基态时发出荧光的寿命与温度为单值函数的原理，通过测量荧光寿命来反应出实时温度[6]。荧光光纤测温技术特点在于成本相对较低，应用场景较广，应用对象的被测体与光纤信号调节器一般不宜过远，以防测量精度受到一定影响，同时荧光光纤传感器需要在出厂前进行温度校准，现场一般不随意更换通道，在安装和维护上要求相对较高。

光栅光纤测温技术是基于光栅反射波长位移的一种检测方式，主要是利用宽带光入射光纤时将产生模式耦合，在满足一定条件时，光栅将起到一个反射镜的作用，反射回一个窄带光波，而不同温度下反射波长的位移不同的原理，通过测量反射波长位移量来反应实时温度。光栅光纤测温技术的特点在于能方便的使用波分复用技术，在一根光纤中串接多个光纤光栅进行不同位置的测量，也就意味着当存在多个测温点时，光栅光纤测温技术可将其串接，最终可只引出1 根光缆，在测温点较多时，可大幅度降低机坑内外的电缆敷设数量。同时，该测温特点也让一些关键位置温度的准分布式测量有了更大的可行性。

半导体砷化镓光纤测温技术是基于砷化镓晶片吸收光波特性的一种检测方式，主要是利用砷化镓材料吸收光子波长可反应出禁带宽度，而禁带宽度又与温度正相关的原理，当砷化镓材料接收光源发出的光束后，吸收特定波长后通过获得吸收光子的波长即可反应出实时温度。半导体砷化镓测温技术的特点在于半导体材料只对温度参数敏感，稳定性好，且测温精度不受光纤线路长度影响，但成本相对较高，尤其当需求的测温点数量较多时，一定程度上会提高机组的整体制造成本。

4 光纤测温系统构成

虽然各类型光纤测温技术的原理大不相同，但从整体来看，各类型光纤测温系统的组织架构基本一致。下面以某15.75 kV、200 MW 水轮发电机组为例，着重介绍光纤测温系统的构成方式，以及光纤测温系统在水轮发电机定子测温领域的具体实施型式，为后续新建和改造机组使用光纤测温技术提供参考和技术支撑。该机组采用的技术为半导体砷化镓光纤测温技术。

光纤测温系统主要由光纤传感器、耦合器、外部光纤、光纤信号调节器以及屏柜等组成，其系统图如图1 所示。

图1 光纤测温系统图

4.1 光纤传感器

光纤传感器即光纤测温系统的前端，放置在所需进行温度监测的被测点位置，用于采集被测点位置温度，并带有光纤测温探头。半导体砷化镓探头的芯线直径为Φ62.5 μm，增加外部壳体后，整个光纤测温探头直径约为Φ1.1 mm，光纤传感器在测温探头部位一般还设有安装圆片，用于保护测温探头。

光纤传感器可精确测量被测物体温度，测温范围可达-40℃~225℃，测得的温度以光纤信号方式沿引线传播，最后经引线末端的ST 接头输出。整个光纤传感器具有抗电磁干扰、耐高温、阻燃、耐油、防水等特性，符合在水轮发电机上应用的条件。内部光纤的引线外径约为Φ3.15 mm，ST 接头直径约为Φ9.1 mm。光纤传感器示意图如图2 所示。

图2 光纤传感器结构示意图

4.2 外部光纤

光纤传感器的引线长度一般不超过15 m，当所需的引线长度超过15 m 时，为提高光纤传输的经济性，则要考虑增加外部光纤，外部光纤是光纤传感器的延长线，其耐温等性能略低于光纤传感器，主要适用于较远距离的光纤传输。

4.3 耦合器

耦合器用于连接光纤传感器和外部光纤。

4.4 光纤信号调节器

光纤信号调节器是光纤传感器的终端转换设备，可将光纤传感器传输的光纤信号转换为数字信号并现地显示。光纤信号调节器通讯端口为RS485及USB，有18 通道、24 通道等多种通道数量供选择，该机组需求的测温点数量为34 点，考虑留有一定的余量，最终采用了2 台18 通道的光纤信号调节器，每台外形尺寸为235 mm×300 mm×98 mm。

4.5 屏柜

光纤信号调节器的显示屏一般为7 寸小显示屏，观察被测点温度时较为不便，尤其在测点数量较多时，一般还要通过多页显示方式现地翻页查看，使用的亲和性较低。为提高电站的人性化设计，一般在机坑外围设置现地显示屏柜，集成包括光纤信号调节器、电脑终端、大型显示屏以及辅助的走线、照明等配套设施，将光纤信号调节器的现地显示读数传输到大型显示屏上，以便更方便更快捷地观察到被测点温度。另外，光纤系统现地显示屏柜的数据也可传输到监控系统，方便远方监控观察光纤信号传感器测点温度。

5 光纤测温系统设计

某电站水轮发电机定子的光纤测温系统监测对象较为全面，包括定子绕组、定子铁心、齿压板以及铜环引线，共设置34 点。各部位的具体测点情况如下。

5.1 定子绕组光纤测温

定子绕组光纤测温点设置在上、下层绕组之间，实际使用时，绕组光纤传感器外部一般设置垫条进行外壳封装，在保护光纤传感器的同时，也可以保证带有光纤传感器的垫条尺寸与常规层间垫条尺寸一致，外壳封装采用绝缘板垫条包裹光纤传感器并使用灌注胶粘牢的结构型式，如图3 所示。定子绕组光纤测温为每相每支路设置1 点，该机组为三相四支路电机，共设置12 点，圆周方向基本均布，根据各相绕组的分布情况，将U 相的4 个光纤测温点布置在第81 槽、261 槽、441 槽和621 槽，V 相的4 个光纤测温点布置在第22 槽、202 槽、382 槽和562 槽，W 相的4 个光纤测温点布置在第142 槽、322 槽、502 槽和682 槽。

图3 光纤传感器封装结构示意

5.2 定子铁心光纤测温

定子铁心光纤测温设置在定子铁心背部，高度上设置在定子铁心中部，定子铁心冲片留有用于装设光纤传感器的凹槽，并在叠片时叠出，凹槽高度以刚好能够装入光纤传感器为宜。因光纤传感器本身较为脆弱，铁心光纤传感器也设置垫条进行外壳封装，结构与绕组光纤传感器基本一致。该机组铁心光纤传感器共设置4 点，圆周方向基本均布，根据定子铁心结构将4 个光纤测温点分别布置在第1.5 槽、181.5 槽、361.5 槽和541.5 槽。

5.3 定子压指光纤测温

定子压指光纤测温设置在定子上、下端压指侧面，因光纤传感器本身较为脆弱，压指光纤传感器也设置垫条进行外壳封装，其结构与绕组光纤传感器基本一致，实施时先在压指侧面设置带有凹槽的固定块，再将带有封装的压指光纤传感器插入凹槽中固定即可。该机组压指光纤传感器共设置6 点，上端和下端压指各3 点，上下位置对应，圆周方向基本均布，根据定子铁心结构，将6 个光纤测温点分别布置在第116 槽、416 槽和596 槽的上端和下端压指位置。

5.4 定子铜环引线光纤测温

定子铜环光纤测温设置在定子汇流排上，测温点结构采用光纤传感器紧贴铜环并在外部直接包绕主绝缘的结构型式。该机组铜环光纤传感器也为每相每支路1 点，共设置12 点。测点位置设置在主引出线位置的铜环引线处，方便集中引线。

定子各部位测点的光纤传感器通过耦合器及外部光纤连接到机坑外部的光纤信号调节器上，并转换为数字信号在屏柜上显示，实现了定子温度光纤在线监测。

6 结语

本文介绍的某水电站装有光纤测温系统的机组现已投入商业运行，其定子上不仅设计了新型的光纤测温，还设计了传统的RTD 测温，实现了光纤测温和RTD 测温的同台对比。根据现有的运行状况，光纤测温和RTD 测温的温度基本吻合，验证了光纤测温系统在水轮发电机定子上的应用是可行的，这也为后续有意采用光纤测温技术的电站提供了十分有价值的参考。随着光纤测温技术在水轮发电机上使用的日趋成熟，越来越多的电站更加愿意尝试和扩大光纤测温技术的使用。已有部分电站在转子上增设了光纤测温，对磁极关键位置以及集电环等进行了监测，突破了转子温度在线监测困难的难题；也有部分电站在轴承上采用了光纤测温，配合定子的光纤测温，实现了水轮发电机组在线监测的光纤化；还有电站开始尝试在定子绕组、铁心等位置装设可更换式光纤传感器。相信在不远的将来，光纤测温技术在水电机组上的应用一定会愈加深入、愈加广泛，并向着规范化和标准化迈进。