抽水蓄能電站溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張學(xué)峰，李建輝

（惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰填谷的重要任務(wù)，機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定提供了重要保證[1]。機(jī)組各部分溫度是抽水蓄能機(jī)組重要的監(jiān)控對(duì)象，溫度采集系統(tǒng)的運(yùn)行情況直接影響到發(fā)電機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。在水電行業(yè)中，測(cè)溫系統(tǒng)性能不穩(wěn)定、可靠性差是非常普遍的問(wèn)題，由于性能不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致溫度信號(hào)誤報(bào)，嚴(yán)重時(shí)可造成機(jī)組事故停機(jī)，這對(duì)于機(jī)組壽命及電網(wǎng)的安全都會(huì)造成不可估量的影響。因此，分析溫度采集系統(tǒng)故障原因，提高系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性是一項(xiàng)非常緊迫的工作。

1 溫度采集系統(tǒng)的組成及作用

溫度采集系統(tǒng)主要由測(cè)溫電阻、溫度采集回路和溫度采集裝置三部分組成。測(cè)溫電阻是水電廠最重要的傳感器，它是將被測(cè)物體的溫度以電阻的形式反映出來(lái)，然后交由溫度采集裝置進(jìn)行處理。溫度采集回路是將測(cè)溫電阻的值上送至溫度采集裝置的通道。溫度采集裝置將上送的溫度信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，實(shí)現(xiàn)水電廠對(duì)溫度信號(hào)的監(jiān)控。

在抽水蓄能電站中，溫度采集系統(tǒng)主要用于定時(shí)采集機(jī)組定子鐵芯、定子線圈、機(jī)組推力軸承瓦、上/下導(dǎo)軸承瓦、水導(dǎo)軸承瓦、各部軸承油、冷卻器水、冷卻器油、主軸密封、上/下迷宮環(huán)及其他系統(tǒng)的溫度，檢查采集的溫度量是否越限，并及時(shí)將越限情況及數(shù)據(jù)傳送至機(jī)組LCU并發(fā)出報(bào)警。對(duì)部分溫度量還要進(jìn)行溫度變化率監(jiān)視和溫升趨勢(shì)分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。由于抽水蓄能機(jī)組具有啟動(dòng)頻率高、啟動(dòng)時(shí)間短、機(jī)組轉(zhuǎn)速快、運(yùn)行工況復(fù)雜等特點(diǎn)，溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理和完善，關(guān)系到機(jī)組能否安全、可靠和穩(wěn)定地運(yùn)行。溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要從測(cè)溫電阻的選型、安裝，回路的設(shè)計(jì)以及溫度采集裝置結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面考慮。

2 惠州蓄能水電廠溫度采集系統(tǒng)存在的問(wèn)題

惠州蓄能水電廠 （以下簡(jiǎn)稱 “惠蓄”）在機(jī)組調(diào)試階段曾多次出現(xiàn)因溫度測(cè)量問(wèn)題導(dǎo)致的誤報(bào)警甚至跳機(jī)事件，總結(jié)原因如下：①測(cè)溫電阻損壞 （主要是推力瓦溫傳感器）；②端子松動(dòng)；③溫度傳感器接頭松動(dòng)或進(jìn)水；④溫度采集裝置工作不穩(wěn)定，與機(jī)組LCU之間的modbus通信時(shí)常中斷；⑤溫度采集裝置的DO輸出模塊容易損壞，無(wú)法正常使用該裝置的硬件跳機(jī)回路；⑥溫度采集裝置只有信號(hào)斷線故障判斷功能，不具備因測(cè)溫電阻故障或回路松動(dòng)導(dǎo)致溫度跳變引起誤發(fā)報(bào)警和跳機(jī)信號(hào)的閉鎖功能；⑦溫度采集裝置采用單電源交流220 V供電，供電可靠性不高，一旦掉電機(jī)組將處于無(wú)溫度保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)較大；⑧溫度采集裝置的輸入及輸出模塊各個(gè)通道布局過(guò)于緊密，難以接線和進(jìn)行其他維護(hù)工作；⑨目前該型號(hào)的溫度采集裝置已經(jīng)停產(chǎn)，備件難以采購(gòu)。

綜上所述，由于溫度采集系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題，致使無(wú)法保證機(jī)組的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)安全受到影響。為此，進(jìn)行了溫度采集系統(tǒng)的改進(jìn)。本文結(jié)合系統(tǒng)改進(jìn)過(guò)程，從測(cè)溫電阻的選型和安裝、測(cè)溫回路的設(shè)計(jì)以及溫度采集裝置功能三個(gè)方面，詳細(xì)介紹了比較合理和完善的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行要求。

3 測(cè)溫電阻的選型和安裝

惠蓄采用阿爾斯通 （ALSTOM）的機(jī)組，所以傳感器都是進(jìn)口傳感器，傳感器本身非常好，但由于不是為特定的使用環(huán)境制作的，因此經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題。如：傳感器結(jié)構(gòu)的問(wèn)題、導(dǎo)線在根部斷開(kāi)的問(wèn)題等。不同的電廠有不同的特點(diǎn)，對(duì)測(cè)溫電阻的要求也不相同，測(cè)溫電阻如果不進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，再好的傳感器也會(huì)出問(wèn)題。因此，測(cè)溫電阻的選型是基礎(chǔ)，一定要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)機(jī)組各部分的工作環(huán)境，選擇合適的產(chǎn)品和型號(hào)[2]。以下結(jié)合實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 推力瓦測(cè)溫電阻的選型

推力瓦用于承擔(dān)整個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及水輪機(jī)的重力，是機(jī)組非常重要的承重部件。推力瓦瓦溫是機(jī)組非常重要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一，若瓦溫過(guò)高，可能發(fā)生燒瓦，將直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。推力瓦測(cè)溫電阻安裝于推力瓦內(nèi)，從瓦里引出來(lái)后，導(dǎo)線有一段距離在油槽中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況沿著某個(gè)方向?qū)?dǎo)線盤(pán)在一起，從油槽里出來(lái)后再連接到端子箱上。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)組高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)油盆內(nèi)的油也高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)對(duì)測(cè)溫電阻不斷產(chǎn)生沖擊。另外，對(duì)于抽水蓄能機(jī)組而言，由于機(jī)組發(fā)電工況和抽水工況的旋轉(zhuǎn)方向相反，容易導(dǎo)致電纜與傳感器的結(jié)合部位斷裂。

多次出現(xiàn)推力瓦瓦溫傳感器損壞后，重新進(jìn)行了選型，選擇采用全鎧裝封裝工藝的鎧裝RTD測(cè)溫電阻 （見(jiàn)圖1）。這種類型的測(cè)溫電阻將電纜和測(cè)溫電阻根部集體封裝，構(gòu)成一個(gè)整體。在油盆內(nèi)部的電纜鎧裝后，極大地增加了傳感器的抗沖擊性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行檢驗(yàn)，沒(méi)有再發(fā)生傳感器根部斷裂情況，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖1 鎧裝后的測(cè)溫電阻

另外，對(duì)于上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦和水導(dǎo)瓦而言，也宜選擇此類帶有鎧裝工藝的測(cè)溫電阻。對(duì)于特定的電廠，測(cè)溫?zé)犭娮瓒家M(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和制造，使其能最大程度地滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件。

3.2 測(cè)溫電阻尾部連接方式的選擇

測(cè)溫電阻尾部連接有導(dǎo)線全密封和帶連接接頭兩種結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)在起碼有1/2的電廠采用后者，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是拆卸方便，一旦傳感器發(fā)生問(wèn)題，可以在不用動(dòng)導(dǎo)線的情況下把傳感器換下來(lái)。但是，要根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境選擇合適的測(cè)溫電阻的接頭方式。比如對(duì)于水導(dǎo)軸瓦測(cè)溫電阻而言，接頭一般是固定在水導(dǎo)油盆蓋上的，由于機(jī)組振動(dòng)較大，接頭經(jīng)常出現(xiàn)松動(dòng)，在緊固過(guò)程中接頭經(jīng)常損壞。此類現(xiàn)象在惠蓄機(jī)組調(diào)試過(guò)程中曾多次出現(xiàn)，極大地增加了機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)難度。在振動(dòng)較大的情況下，建議采用圖2所示的測(cè)溫電阻接頭，該接頭有如下優(yōu)點(diǎn)：①接線空間比較大，接線方便；②采用彈性墊片，增大了緩沖，不容易松動(dòng)；③接頭處接觸良好，使松動(dòng)的可能性大大降低。

3.3 測(cè)溫電阻的安裝

測(cè)溫電阻要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行安裝。一般水輪機(jī)的瓦數(shù)為偶數(shù)，如16塊或24塊等，每個(gè)瓦上裝有一個(gè)測(cè)溫電阻，有時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況有的瓦裝有2支測(cè)溫電阻，分別輸送到不同的采集裝置。對(duì)于推力瓦而言，在抽水蓄能機(jī)組中，由于機(jī)組存在正、反兩向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致同一塊瓦的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度差異較大，為了準(zhǔn)確測(cè)得不同工況下的正確瓦溫，推力瓦的測(cè)溫電阻在安裝時(shí)最好采用對(duì)半的原則，即兩個(gè)方向上的測(cè)點(diǎn)各占1/2，然后每個(gè)方向的測(cè)溫電阻信號(hào)送至不同的溫度采集裝置。

圖2 建議采用的接頭

對(duì)于導(dǎo)線在油盆內(nèi)部安裝的測(cè)溫電阻，在固定導(dǎo)線時(shí)，一定要選擇專門(mén)供油盆內(nèi)使用的綁扎帶進(jìn)行固定。一般的綁扎帶在高溫油中長(zhǎng)期浸泡會(huì)老化甚至斷裂，斷裂的綁扎帶在油盆內(nèi)旋轉(zhuǎn)容易引發(fā)其他事故。

另外，對(duì)于導(dǎo)線經(jīng)油盆壁的接口處，在安裝過(guò)程中要特別注意，由于機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)較大，溫度較高，容易導(dǎo)致漏油或者磨破電纜絕緣層，因此在安裝時(shí)要做好密封材料的選擇、防漏處理以及電纜絕緣層的保護(hù)工作，電纜要選用專業(yè)耐油 （油槽）電纜。

4 溫度采集系統(tǒng)回路的設(shè)計(jì)

為了方便今后的維護(hù)和減少故障點(diǎn)，回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減少中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于振動(dòng)等原因接線端子松動(dòng)是很難避免的，所以應(yīng)合理設(shè)計(jì)各個(gè)溫度信號(hào)的回路。一般情況下，每個(gè)回路只設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)接端子箱，溫度傳感器直接接入端子箱，然后拉電纜直接將信號(hào)接入溫度采集裝置。

此外，中間端子箱的安裝位置應(yīng)選擇合理，最好選在方便維護(hù)的地方。在運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)溫度信號(hào)出現(xiàn)異常，測(cè)量的溫度值不斷波動(dòng)或者溫度值為最大或最小值時(shí)，應(yīng)考慮是否是接線松動(dòng)的緣故。比如發(fā)電機(jī)定子繞組等溫度傳感器的轉(zhuǎn)接端子箱不能安裝在發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)，否則，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)法及時(shí)排除故障。

中間端子箱一般采用端子排的方式實(shí)現(xiàn)電纜的對(duì)接，端子排在選型時(shí)要注意選用防氧化能力強(qiáng)的端子排。在惠蓄調(diào)試期間，曾發(fā)現(xiàn)由于端子排氧化造成測(cè)溫電阻阻值大幅度增大的情況，為此，對(duì)端子排全部進(jìn)行了更換。

有些電廠由于沒(méi)有對(duì)測(cè)溫電阻實(shí)施有效的屏蔽，發(fā)電機(jī)的強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)測(cè)溫電阻信號(hào)的干擾造成測(cè)溫不準(zhǔn)。因此，一定要做好每個(gè)環(huán)節(jié)的屏蔽工作。

5 溫度采集裝置功能的完善

5.1 硬件布局

針對(duì)惠蓄溫度采集裝置的不足進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的溫度采集系統(tǒng)布局如圖3所示。

圖3 溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由2套溫度采集裝置、1個(gè)HMI人機(jī)界面和1個(gè)溫度記錄系統(tǒng)組成，溫度采集裝置通過(guò)modbus或其他通訊方式實(shí)現(xiàn)與機(jī)組LCU的通訊，完成LCU對(duì)機(jī)組各部分溫度的監(jiān)視和控制。

采用兩套溫度采集裝置是為了防止在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中由于裝置損壞或其他故障導(dǎo)致機(jī)組在無(wú)溫度保護(hù)的情況下運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，溫度信號(hào)的接入應(yīng)采用間隔輸入的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如對(duì)于推力瓦而言，若共有12塊推力瓦，則應(yīng)采用奇數(shù)號(hào)瓦的溫度信號(hào)接入一個(gè)溫度采集裝置，偶數(shù)號(hào)瓦的溫度信號(hào)接入另一個(gè)溫度采集裝置。當(dāng)一個(gè)溫度采集裝置因電源丟失或其他原因無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，另一個(gè)溫度采集裝置可以繼續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的保護(hù)。其他系統(tǒng)的溫度信號(hào)接入也大致采用這種方式。

HMI為本地管理顯示界面，要求可以通過(guò)HMI現(xiàn)地查看機(jī)組各部分溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，配置各通道的報(bào)警、跳機(jī)值，各通道溫度的補(bǔ)償值，進(jìn)行梯度值的設(shè)置和修改，補(bǔ)償值的設(shè)置和修改，以及通道的閉鎖和開(kāi)放功能。

溫度記錄系統(tǒng)應(yīng)能存儲(chǔ)大量的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的歷史查詢，并且實(shí)現(xiàn)每秒至少一個(gè)采樣點(diǎn)的采樣頻率。

另外，對(duì)于溫度采集裝置的電源配置應(yīng)采用雙電源配置方式，防止因電源丟失導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 邏輯、功能

溫度采集系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)機(jī)組各部分的溫度狀況，對(duì)于重要設(shè)備設(shè)置高溫度報(bào)警和跳機(jī)出口，確保機(jī)組各部分的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具體功能設(shè)置如下：①溫度采集裝置通過(guò)通訊方式將實(shí)時(shí)的溫度信號(hào)傳送給機(jī)組LCU，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組各部溫度的監(jiān)視；②溫度采集裝置對(duì)各通道溫度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性；③對(duì)各通道的溫度輸入值進(jìn)行處理，產(chǎn)生H報(bào)警值和HH跳機(jī)值，通過(guò)通訊方式傳送給機(jī)組LCU；④設(shè)置各通道溫度信號(hào)斷線和梯度越限閉鎖跳機(jī)保護(hù)功能，即當(dāng)由于斷線或端子松動(dòng)導(dǎo)致溫度跳變頻繁時(shí)閉鎖跳機(jī)；⑤當(dāng)發(fā)生梯度越限時(shí)，溫度采集裝置應(yīng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并傳送給機(jī)組LCU，以方便維護(hù)；⑥溫度采集裝置的一個(gè)重要作用是當(dāng)溫度超過(guò)跳機(jī)值時(shí)能準(zhǔn)確地發(fā)出跳機(jī)令，并將跳機(jī)令下發(fā)給機(jī)組實(shí)現(xiàn)跳機(jī)，以保護(hù)機(jī)組。圖4是跳機(jī)令的下發(fā)回路，首次溫度采集裝置應(yīng)配置有硬布線出口，當(dāng)溫度達(dá)到跳機(jī)值時(shí)出口動(dòng)作，將信號(hào)一路傳送給機(jī)組LCU，另一路直接傳送給機(jī)組跳機(jī)繼電器；機(jī)組LCU通過(guò)程序判斷后也應(yīng)提供跳機(jī)出口，經(jīng)DO下發(fā)至跳機(jī)繼電器，實(shí)現(xiàn)跳機(jī)回路的安全、可靠運(yùn)行。

6 小結(jié)

圖4 硬布線跳機(jī)令下發(fā)回路

溫度采集系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的重要保護(hù)裝置，由于測(cè)點(diǎn)特別多，所以風(fēng)險(xiǎn)很大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞以及系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都將直接影響機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。溫度傳感器的合理選型可以在很大程度上減輕由于設(shè)備損壞導(dǎo)致的工作量，回路設(shè)計(jì)合理可以減少誤動(dòng)作的可能性，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善可以確保機(jī)組正確、可靠地運(yùn)行。惠蓄采用改進(jìn)后的溫度采集系統(tǒng)后，運(yùn)行穩(wěn)定，情況良好。

［1］ 文伯瑜，姜龍華.現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

［2］ 梁森，等.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.