光纖測(cè)溫技術(shù)在沙坪電站勵(lì)磁系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 勇

（國(guó)電大渡河沙坪水電建設(shè)有限公司，四川 樂(lè)山614300）

0 概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步進(jìn)入快車道，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行提出更高的要求。在電力系統(tǒng)中，溫度是設(shè)備運(yùn)行正常的一個(gè)重要指標(biāo)。由于目前主要通過(guò)值班人員定期用紅外熱像儀、測(cè)溫槍等儀器對(duì)設(shè)備進(jìn)行離線式監(jiān)視，此類方法測(cè)量誤差大，并且只能測(cè)量設(shè)備的表面溫度，不能對(duì)封閉式、高電壓、強(qiáng)電磁的接觸點(diǎn)溫度進(jìn)行有效測(cè)量和監(jiān)測(cè)[1]，所以急需找到一種更為有效的溫度測(cè)量方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備更有效的溫度監(jiān)視。

沙坪二級(jí)水電站位于四川省樂(lè)山市峨邊彝族自治縣和金口河交界處，是大渡河規(guī)劃的22個(gè)梯級(jí)水電站中的第20級(jí)沙坪梯級(jí)水電站的第二級(jí)，采用國(guó)內(nèi)最大燈泡貫流式機(jī)組，裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量58 MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為348 MW。額定定子電壓10.5 kV，通過(guò)主變壓器升壓至500 kV，連接至500 kV峨眉南天變電站，與雙江口、瀑布溝聯(lián)合運(yùn)行。

沙坪二級(jí)水電站采用廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的EXC9100勵(lì)磁系統(tǒng)，功率柜采用三相橋式全控整流電路[2]，額定勵(lì)磁電流為1 015 A。勵(lì)磁系統(tǒng)作為水電站發(fā)電系統(tǒng)中的一部分，控制著發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和勵(lì)磁電流，對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜可控硅等功率元件作為勵(lì)磁系統(tǒng)的主要發(fā)熱元件，對(duì)其溫度測(cè)量及實(shí)時(shí)監(jiān)控是設(shè)備安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。

沙坪二級(jí)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用熒光光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功率柜可控硅元件的在線溫度測(cè)量及實(shí)時(shí)傳輸，確保勵(lì)磁系統(tǒng)可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)踐表明，光纖測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好、易于安裝、便于維護(hù)等特點(diǎn)，具有很好的監(jiān)測(cè)效果和廣泛的應(yīng)用前景。

本文主要介紹熒光光纖在線測(cè)溫裝置的基本原理及安裝使用方法。

1 光纖測(cè)溫的基本原理及測(cè)溫裝置

熒光光纖測(cè)溫裝置較適用于高電壓、強(qiáng)電磁等復(fù)雜環(huán)境測(cè)溫需求及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)。

1.1 熒光光纖測(cè)溫的原理

熒光光纖測(cè)溫裝置所使用的熒光光纖溫度傳感器屬于傳光型光纖溫度傳感器，傳感器探頭由多模光纖和熒光體組成，是利用光纖作為傳輸測(cè)量信號(hào)的傳感器。熒光體一般采用特殊稀土熒光材料，當(dāng)熒光材料受到一定波長(zhǎng)的光觸發(fā)后，熒光體發(fā)出的熒光按照指數(shù)形式衰減。由于不同溫度下熒光的衰減時(shí)間不同，因此可以把熒光光纖溫度傳感器以某種方式放置于被測(cè)溫度范圍內(nèi)，通過(guò)測(cè)量熒光的衰減壽命來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的目的。熒光光纖測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 熒光光纖測(cè)溫裝置原理圖

1.2 熒光光纖測(cè)溫裝置

熒光光纖測(cè)溫裝置主要由熒光光纖傳感器、延長(zhǎng)光纖與光纖溫度解調(diào)儀組成，如圖1所示。光纖溫度解調(diào)儀發(fā)出一個(gè)激勵(lì)光脈沖，光脈沖通過(guò)延長(zhǎng)光纖到達(dá)熒光體傳感探頭激發(fā)出熒光，熒光又通過(guò)耐溫光纖回傳至調(diào)解儀后，調(diào)解儀通過(guò)計(jì)算熒光衰減壽命從而得到所對(duì)應(yīng)的溫度。

光纖溫度解調(diào)儀一般具有modbus 485通信功能，把所測(cè)量的溫度信號(hào)通過(guò)通信的方式上傳至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)可通過(guò)根據(jù)測(cè)量得到的溫度信息進(jìn)行相應(yīng)的控制或報(bào)警操作[3，4]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

沙坪二級(jí)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用熒光光纖測(cè)溫技術(shù)，將光纖溫度探頭直接安裝在貼近可控硅極板位置，從而確保測(cè)溫探頭可以最真實(shí)直接的反映可控硅本體的溫度，測(cè)量值準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快。同時(shí)由于耐溫光纖和延長(zhǎng)光纖極強(qiáng)的絕緣性能，保證了在高電壓、大電流可控硅整流橋工作時(shí)自身的絕緣性能，確保熒光光纖測(cè)溫裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為保證設(shè)備的可靠運(yùn)行和準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溫度，沙坪二級(jí)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)在采用熒光光纖測(cè)溫的同時(shí)也采用了鉑電阻測(cè)溫，鉑電阻安裝可控硅之間測(cè)量屏柜內(nèi)的環(huán)境溫度，鉑電阻測(cè)量的是環(huán)境溫度，熒光光纖直接測(cè)量可控硅的溫度，故鉑電阻測(cè)量溫度較光纖測(cè)量溫度低。目前沙坪二級(jí)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)鉑電阻、熒光光纖兩種測(cè)溫裝置均正常運(yùn)行，6臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)鉑電阻測(cè)溫溫度較熒光光纖測(cè)溫溫度總體低6℃左右，均正常的反應(yīng)了可控硅溫度的實(shí)際工況。

2.1 測(cè)溫裝置的安裝與使用

熒光光纖溫度探頭的安裝方式如圖2所示，在可控硅散熱器上開(kāi)一貫通的小孔，將涂有稀土物質(zhì)的熒光體溫度探頭安裝在此小孔并接觸到可控硅的殼體，再用硅膠填充小孔來(lái)固定住熒光體溫度探頭。測(cè)溫探頭固定在可控硅本體上，從而真實(shí)的檢測(cè)到可控硅的溫度。每個(gè)功率柜有6個(gè)可控硅組件，每個(gè)可控硅組件上設(shè)置1個(gè)熒光體測(cè)溫點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)應(yīng)1套6通道熒光光纖溫度測(cè)溫儀。

圖2 可控硅安裝熒光光纖傳感器

沙坪二級(jí)水電站3號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)6個(gè)可控硅溫度顯示如圖3所示，風(fēng)道鉑電阻測(cè)試溫度為20.31℃，6個(gè)熒光光纖測(cè)溫為25～27℃之間，其余投運(yùn)機(jī)組在相同的勵(lì)磁電流下溫度顯示均為25～27℃之間，均真實(shí)的反應(yīng)了可控硅當(dāng)前的運(yùn)行溫度。

圖3 3 F勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅溫度顯示

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下頁(yè)圖4所示。整個(gè)電站測(cè)溫系統(tǒng)由6臺(tái)勵(lì)磁系統(tǒng)的測(cè)溫裝置、各監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)集中單元、集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及人機(jī)交互軟件等部分組成。數(shù)據(jù)集中單元、集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)一般安裝在主控室，方便運(yùn)行人員對(duì)電氣設(shè)備溫度的在線檢測(cè)。

安裝在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中的熒光光纖在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效的監(jiān)控平臺(tái)。軟件系統(tǒng)的主要功能包含實(shí)時(shí)溫度的本地監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、高/低溫報(bào)警、高/低溫預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)回放、報(bào)警前后曲線、溫度導(dǎo)出至Excel等功能。軟件系統(tǒng)提供良好的人機(jī)界面，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 結(jié)束語(yǔ)

熒光式光纖測(cè)溫裝置利用光纖作為傳輸測(cè)量信號(hào)的傳感器，具有抗電磁干擾、高壓絕緣、穩(wěn)定可靠、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長(zhǎng)壽命及耐腐蝕、適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適應(yīng)于高電壓、強(qiáng)電磁（電磁干擾EMI、射頻干擾RFI和電磁脈沖EMP）等特殊工業(yè)環(huán)境中的溫度監(jiān)測(cè)。熒光光纖在線測(cè)溫裝置在沙坪二級(jí)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)的應(yīng)用，較好的解決了可控硅元件的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)測(cè)量值也準(zhǔn)確的反應(yīng)了設(shè)備的真實(shí)值，取得了較好的測(cè)量和監(jiān)控效果。同時(shí)該測(cè)溫裝置還可廣泛推廣到定子焊頭塊、高壓開(kāi)關(guān)柜、發(fā)電機(jī)出口母排接頭、電纜終端等大電流設(shè)備接頭的溫度在線監(jiān)測(cè)，更好的為電力系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行提供保障。