光纤测温技术在封闭式发电机定子的应用

钱 程，谢澍宇，刘 禹

（1.五凌电力有限公司株溪口水电厂，湖南 益阳 413500；
2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

株溪口水电站位于湖南安化县境内，是资水流域规划的第八个梯级电站。全厂共装有4台单机18.5 MW的灯泡贯流式机组，发电机型号为SFWG18.5-64/6400，于2008年投运。发电机定子测温采用预埋铂电阻元件实现，即在机组定子线棒装配阶段预埋在定子铁心与定子槽内，经十余年的运行，其中部分铂电阻测温元件已经损坏，不能正常测量与运行。定子铁心、定子线棒、汇流环等重要部件完全处于无监测状况，运行风险很大。据现场统计，2号发电机定子绕组共计18个温度测点，其中8个测温探头已经完全损坏，不具备测温功能，且失效温度探头呈现逐年增加的趋势。

为了使株溪口电厂定子线棒温度可监可控，必须对定子线棒增加测温元件，确保发电机长期稳定可靠运行。对定子进行解体更换常规测温元件，工程投入大，施工周期长。测温元件主要考虑铂电阻测温、光纤测温、红外测温三种。电厂定子铁心及线棒原有的测温元件为铂电阻，之后在定子绕组端部也加装了铂电阻传感器，其优点为价格实惠，缺点为易受电磁场干扰、易发生零点漂移、易受油污及高温环境影响、需定期校验，长期运行时故障率比较高，目前株溪口电厂测温系统A/D转换模块接口不够，需要增加两个转换模块，设备购置、现场施工及监控系统软件配置及通信连接服务等。红外测温元件的安装需要一定的空间，常规的红外成像探头尺寸为铂电阻探头尺寸的数倍，发电机定子风洞内空间位置狭窄，且有掉落风险，严重时将危害机组的正常运行，因此不适合安装红外测温元件。光纤测温元件具有高可靠性、高稳定性、高精度、高响应速度、全绝缘、小尺寸、长寿命、免维护等优点，单个光纤探头价格较铂电阻探头较贵，其配套的光信号调制解调设备价格合理，设备购置、现场施工及与监控系统通信服务等，整体价格较铂电阻测温元件略高。

经过对比论证分析，将荧光式光纤测温技术应用在封闭式发电机定子中较为适合。首先将传感器安装在发电机定子线棒的端部表面，再通过定子绕组温度场模型及历史运行数据，分析定子绕组内部温度和表面温度的关系，最后通过安装在定子绕组表面的光纤探头测量温度推算定子绕组内部温度。

荧光光纤温度传感的原理是利用荧光材料的温度特性，由于荧光光纤测温技术抗干扰能力强，且测温系统比较经济耐用，近年来成为光纤测温领域的一个研究热点。荧光式温度传感探头具有抗电磁干扰、稳定可靠、微小尺寸、高精度、长寿命及绝缘性好等特点，它是利用磷化物的荧光辐射的温度特性设计的：安置在光纤一端的微量稀土磷化合物，在受紫外脉冲光照射后激励发荧光，荧光余辉时长会随温度变化而变化，成为温度的函数，从而计算出被测温度。

根据对荧光信号处理方式的不同可将荧光温度传感器分为荧光强度型、荧光强度比型和荧光寿命型，本文荧光信号处理方式为荧光寿命型。

荧光式温度传感探头是由普通多模光纤和在其顶部涂敷的荧光体组成。荧光体在受一定波长的光激励后，受激辐射出荧光能量。激励消失后，荧光体发光的持续性取决于荧光物质特性、环境温度，以及激发状态。这种受激荧光通常是按指数方式衰减的，称衰减的时间常数为荧光寿命或荧光衰落时间(ns)。因为在不同的环境温度下，荧光寿命也不同，通过测量荧光寿命的长短，就可以得知当时的环境温度。

本文采用短脉冲光激发荧光体，形成的激发态荧光体随时间而衰变，其衰变率为：

对式（1）进行积分，得

式（3）可以写成

对于以指数形式衰变的单一荧光体，其发射强度F（t）和激发态群分子数N（t）成正比，即

如以N（t）或lgF（t）对时间作图，可得如图1所示曲线。荧光寿命可以看成荧光强度衰变到初始值的1/e所需的时间。对时间的曲线斜率为荧光寿命倒数的负值-1/τ。荧光寿命也可以理解为荧光物质分子在激发态的统计平均停留时间。事实上，当荧光物质被激发后，有些激发态分子立即返回基态，有的甚至可以延迟到5倍于荧光寿命时才返回基态，这样就形成了实验测定的荧光强度衰减曲线。

图1 脉冲荧光寿命测量图解

研究证明，在不同的环境温度下，荧光寿命也不同。荧光寿命与温度的关系可用式（6）表示：

式中E、RE、RT、k、ΔE均为常数；
T为绝对温度。

因此通过测量荧光寿命的长短，就可以得知当前的环境温度。应用这一方法，不需要对光强进行精确测量，只要荧光材料选择得当，温度仅由荧光寿命这一本征参数确定。这种设计，一般来说不受光源波动的影响，这就降低了对控制光源稳定的严格要求，也省去了比率测量处理的设计。这样在光源电源的稳压控制上、在光路系统的稳定性上，它比强度型荧光光纤温度传感器的要求低了很多，从而简化了结构，降低了成本，提高了性能。

荧光式光纤测温系统的安装包括：安装光纤温度探头，安装光纤测温端子箱，铺设电缆，连接光纤测温解调器，检查接线并上电调试等步骤。

3.1 光纤测温传感器的安装

株溪口水电站定子绕组预埋的内部传感器18只，随着运行时间的增长，传感器出现损坏的情况，且损坏数量逐年增加，其中2号机组损坏数量最多。本文以2号机组为例，在其定子绕组端部共设置27只荧光光纤测温探头，上述探头沿定子绕组均匀分布。以位置邻近的端部光纤探头数据为基础，辅以一定的推测方法，可以推测内部传感器的测量值。

水轮发电机定子槽数为432槽，原有的18个铂电阻（PT100）分别安装在67、78、96、108、119、130、216、227、245、256、267、279、290、301、319、404、415、427槽上，其中测温电阻损坏量超过1/3，新安装的27个光纤测温传感器除了在原有18个槽内定子绕组端部安装传感器外，还有9个传感器分别安装在4、13、22、141、153、171、182、193、204槽 上，将 温 度探头套入1.0 m的PP阻燃波纹管，在探头ST头与波纹管结合部位用玻璃丝带加环氧胶包扎固定；
将温度探头感温端紧贴上层线棒端部绝缘层表面，用玻璃丝带加环氧胶环绕捆扎固定；
将尾纤沿着齿压板进行布线，并将其绑扎在定子机座上。如图2所示为108槽光纤温度传感器安装示例，A部位为定子实际槽号108，B部位为108槽上层线棒与其连接的下层线棒绝缘盒，C部位为与108槽上层线棒连接的下层线棒，即108槽探头的实际安装位置。

图2 荧光式光纤温度传感器安装位置（俯视图）

3.2 光纤测温端子箱及调解器的接入

在机组灯泡头竖井旁的墙壁上安装光纤测温端子箱，将传感器光缆引入测温端子箱内的光纤温度解调器。光纤调制解调仪具备温度保护组态及告警输出功能，可进行历史数据存储，解调仪将光纤光栅传感器光信号最终计算为温度值并传输至监控计算机。

为了确保光纤测温产品安装过程的安全性，针对2号机定子绕组（单台机组共计27个监测点）的光纤测温系统进行了全面的测试。通电前首先需要确认是否完全按照电气图纸进行了接线；
使用万用表蜂鸣器档测试确认接线有无短接、开路等错误；
确认供电电压是否在解调器/显控器要求的电压等级范围内；
通电时观察解调器的LED指示灯状态是否正常，如有异常立即断电；
现场可利用笔记本电脑测温软件进行通信确认，检查多台解调器组网/通信是否正常。经过测试，2号机定子绕组光纤测温共计27个温度监测点，系统指标均在合格范围内。

3.3 注意事项

探头可靠固定到设计的测量点；
感温面紧贴被测点的表面，探头安装到机组温度监测所设计的位置；
探头安装点平整、牢靠；
探头外观有用阻燃材料波纹管进行保护；
探头布线捆扎牢靠，不可90°折弯。光纤布线整齐，两端标识清楚，全程套入PP阻燃波纹管保护，捆扎牢靠，无过度弯折情况。安装稳固牢靠，不影响竖井通道。走线规范整齐，沿电缆桥架铺设。根据设计测温点位序号对应连接。利用标准PC测试软件进行测试，每个测点的光路衰减值（Light Level）=3 000±5%，LED电流值（LED Current）＜1 000，温度值在正常范围。

株溪口水电站2号机组的光纤测温系统不仅接入了电站监控系统，同时也接入了远程运维系统。在远程运维系统上，以定子绕组外部环境温度、机组负荷为边界条件，建立定子绕组温度修正值的二维数组，反映新增定子端部传感器温度和对应的定子绕组原来探头处的温度差值的一一对应关系，将此二维数组作为计算关系植入到发电机组监控系统，得到修正后中部传感器温度值。

现场采集的数据及修正后的温度数据均在远程运维平台保存，修正后的数据在远程运维系统功能中展示。取2022年3月19日03:30～3月21日07：30修正的温度数据进行统计分析（以1号测点为例）。如图3所示，展示了上述时间段内各个测点的温度随时间的变化趋势。图中曲线表示的中部实际温度、中部等效温度、端部测试值、中部估算值定义如下：中部实际值是指正常测温的原有中部铂电阻探头的测量值；
中部等效值是指测温失效的原有中部铂电阻探头，采用正常测温的铂电阻探头的平均值代替其测量值；
端部测试温度是指安装在定子绕组端部表面的光纤温度探头和铂电阻温度探头。

由图3可以看出，端部测试值、中部实际值（或中部等效值）、中部估算值的变化趋势相同，中部实际值（或中部等效值）与中部估算值曲线基本重合，且温度较高时曲线重合度高，温度上升过程及温度出现拐点时（如1号测点图中标记），曲线重合度受影响。

图3 温度变化趋势图（2022年3月19日03：30～21日07：30）

经分析主要的原因为：（1）热传导过程需要时间的累积。定子绕组为发热源，定子内部的热量沿定子绕组向其端部扩散。发电功率增大温度上升时，端部温度较内部温度上升有一定滞后，再加之程序修正本身的延迟，故采集端部光纤探头温度进行估算的值偏低。（2）发电功率减小温度下降时，定子绕组的冷却风机依然运行，此时绕组内部产生的热量减少，此时端部温度下降较为明显，绕组内部温度相对端部下降慢，因此估算值较真实值偏低。（3）机组满负荷运行时，定子绕组温升更高，此时最容易发现定子绕组内部存在的问题，因此在制定修正方法时，首先考虑机组满负荷运行情况。

表1统 计 了2022年3月19日03:30～21日07:30各个测点的中部估算值与中部实际值或中部等效值的误差。主要的统计方式和方法，说明如下：

表1 温度测点误差统计

（1）每个测点的传感器独立统计，互不影响。

（2）剔除了导出的数据样本中的异常数据，在统计时不考虑这些时刻的值。

（3）平均误差是所有有效样本中估算值和实际（等效）值之差的算术平均值。

由于不同光纤安装的位置不尽相同，其预测值和实际值的偏差也不同。但总体上来看预测值和实际值相差较小，平均误差小于0.75℃，满足工程需要。

本文采用先进、准确的荧光光纤测温系统，融合温度场仿真及历史数据，研究了绕组的温度监测及故障预警定位方法，为定子绕组的运行状态判别提供了参考。但仍可以从以下方面进行提升，为下一步的研究工作提供参考。

（1）温度监测系统运行时间有限，需结合加装的27个光纤测温探头积累更多的数据量，对系统进行优化，进一步提升温度预测的精确度。

（2）由于缺少故障数据，温升相似性故障预警方法中阈值取值根据经验设定，未能进行验证，后续若有具体的故障数据，可以对上述阈值进行修正。