汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统

毕纯辉，孙 凯，王韬，李淑钰



汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统

毕纯辉，孙 凯，王韬，李淑钰

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

为了保证汽轮发电机的安全运行，需要监测其端部磁场和温度分布，为此开发了汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统。系统把传感器技术与计算机控制自动测试技术结合起来，以完成汽轮发电机端部磁感应强度和温度的自动采集和处理，并由专家系统进行计算分析，做出电机工作正常、预警、危险等各种提示。试验表明，该系统自动化程度高，方便准确，能满足现场运行的要求。

电机端部；在线监侧；CompactRIO系统；LabVIEW

0 前言

随着发电机制造技术的不断进步，大型汽轮发电机的容量不断增加，20世纪70年代以后，汽轮发电机的最大容量达1300～1500MW，国内生产的汽轮发电机最大容量目前也已经达到1000MW以上。随着容量的增加，其电负荷已经超过2000A/cm。如此之大的容量和高的电负荷，使巨型汽轮发电机的端部磁场分布合理、降低损耗提高效率、防止局部过热成为焦点问题，这也是限制容量发展的一个棘手问题。另外，汽轮发电机在电网中经常进相运行，其端部磁场增大，使端部及结构件出现过热现象。为此，大型汽轮发电机端部磁场分布的研究一直受到业界的广泛关注。通常采用理论计算的方法对汽轮发电机的端部电磁场进行分析和研究，通过测量大型发电机端部的磁场和温升，以验证理论计算的结果，为理论研究和端部结构设计提供依据。

通常大型汽轮发电机定子铁心端部是通过端部结构件对铁心进行固定和压紧，所以要防止电机在运行过程中由于铁心松动而引起铁心过热和振动过大给电机造成的安全隐患。定子端部磁场会在端部结构件和边段铁心中感应涡流引起发热，掌握电机实际的磁场和温度分布，有助于采取有效措施，使端部结构更加合理，并为电机的安全可靠运行提供依据。因此在线监测大型汽轮发电机各种工况下的端部结构件温度、磁感应强度分布等是非常必要的。

1 在线监测系统的硬件系统

本文论述的汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统的硬件包括以下部分：T型热电偶温度传感器，用于测量电机边段铁心以及压紧板等端部关键部位结构件表面的温度值，防止温度过高；测磁线圈，用来测量相同部位的磁感应强度；NI CompactRIO嵌入式测控平台用于采集T型热电偶温度传感器和测磁线圈的输出信号；上位监测计算机，用于运行系统监测软件及专家分析系统软件。汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统硬件系统工作原理框图如图1所示。

1.1 T型热电偶温度传感器

汽轮发电机的端部铁心、边段铁心以及压紧结构件表面等部位的温度值反映了电机的运行状况，因此电机端部及其结构件磁感应强度和温度是需要重点监测的参数。本文所述系统中采用T型热电偶作为测温元件，T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，温度近似线性和复制性好，传热快，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点。T型热电偶在-200°C~400°C的被测温度范围内具有较高的精度。系统中把热电偶与测磁线圈固定到一起，用环氧树脂胶粘到监测点上。汽轮发电机端部测点布置图如图2所示。

1.2 磁感应强度测量线圈

测磁线圈是由支撑骨架及几十到数百匝缠绕在支撑骨架上的漆包线组成，支撑骨架用环氧玻璃布板加工制成，呈工字形，线圈输出电压大小与线圈的匝数和磁感应强度的大小有关。通过标定，可得到测磁线圈输出电压与磁感应强度的函数关系。系统通过测量测磁线圈的输出电压有效值，可以计算出相应部位的磁感应强度，以判断磁场分布是否合理，保证电机的安全运行，为端部结构优化设计提供依据。

图2 汽轮发电机端部测点布置图

1.3 NI CompactRIO嵌入式测控平台

NI CompactRIO嵌入式测控平台是美国NI公司生产的小巧而坚固的工业化控制和数据采集系统，采用可重配置的I/O（reconfigurable I/O，简称CRIO系统）和FPGA技术实现超高性能和可自定义功能。它以LabVIEW FPGA和LabVIEW实时技术为核心，由一个实时控制器、内置可重新配置FPGA芯片的坚固机箱和可热插拔的工业级 C系列I/O模块组成，是一款专为高性能测控应用及高可靠性需求而设计的应用平台[1]。

在本系统中，可重配置机箱选用cRIO-9113,它具有3M的FPGA门，4个I/O模块插槽，因此最多可以配4个不同功能的I/O模块；控制器选用cRIO-9124，它带有800MHz的处理器，512MB的内存，4GB的非遗失性存储器，并通过以太网与上位计算机进行信息交换，由上位计算机通过监测软件操纵控制器使用LabVIEW Real-Time系统软件控制测控平台进行实时数据采集；NI9205为模拟输入模块，此模块为16位16路差分输入电压采集模块，采样率为250kS/s，用于测量测磁线圈的输出电压；NI9213为热电偶输入模块，此模块为24位16路输入，采样率为1200S/s。用2块NI9213模块2块NI9205可以构成最大32点温度和32点磁感应强度的数据采集系统。

1.4 上位监测计算机

上位监测计算机使用工业控制计算机，运行在LabVIEW软件平台上编制的系统监测软件，在系统监测软件中嵌入了专家分析系统。

2 在线监测系统软件

汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统的软件包括两部分：系统监测软件和CRIO嵌入式测控平台的Real-Time数据采集传输软件。整个软件系统是在LabVIEW软件平台上编制的。

LabVIEW是由美国NI公司研制开发的具有革命性的图形化开发环境，它的应用范围已经覆盖了工业自动化、测试测量、嵌入式应用、运动控制、图像处理、计算机仿真、FPGA等众多领域。以LabVIEW为核心，采用不同的专用工具包，统一的图形编程方式，可以实现不同技术领域的需求[2]。

2.1 系统监测软件

系统监测软件操纵上位计算机通过以太网完成与CompactRIO嵌入式测控平台的信息交换，实现以下功能：（1）控制CRIO系统的数据采集速度；（2）接受CRIO系统传输的原始数据并对接收的数据进行处理；（3）显示汽轮发电机端部磁场强度和温度监测数据随时间变化的曲线；（4）运用ADO技术完成测试数据在 LabVIEW与Microsoft Office Access数据库之间的动态传输，实现监测数据的长期保存[3]；（5）通过嵌入其中的专家分析系统对测量数据进行分析，并与专家系统中的设定值进行比较，做出电机工作正常、预警、危险等各种提示。系统监测软件主界面如图3所示。

2.2 NI CompactRIO嵌入式测控平台软件

CRIO系统的硬件部分包括控制器、CRIO机箱和C系列模块。通过CRIO系统软件的运行，FPGA负责控制C系列模块的信号采集、输入/输出控制，把采集的数据传入实时操作系统；控制器实时操作系统负责大量数据的存储、分析等功能，并实现与FPGA以及上位计算机之间的信息交换。CRIO软件系统编程包括FPGA、RT控制器和Real-Time的图形接口三部分。CRIO软件系统用于磁感应强度数据采集的程序框图如图4所示。

3 结束语

本文论述的汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统在HEC制造的某台大型汽轮发电机的出厂前型式试验中进行了应用试验。结果表明此系统性能可靠，测点多，数据采集快速准确。上位监测计算机的监测软件界面友好，功能强，专家分析系统对测量数据的计算分析准确可信，可以保证发电机组的安全运行。

图3 汽轮发电机端部磁场和温度在线监测系统测控软件主界面

图4 CRIO系统用于磁感应强度数据采集的程序框图

[1] 聚星仪器. NICompactRIO平台配置指导及用户方案[K]. NATIONAL INSTRUMENT, 2012.

[2] 陈树学, 刘萱. LabVIEW宝典[M]. 电子工业出版社, 2011, 3.

[3] 毕纯辉, 王雪健, 孙凯, 等. 汽轮发电机转子通风道智能检验分析系统[J]. 大电机技术, 2013, (4).

The Online Monitoring System of Flux Density and Temperature in the End-Region of Turbogenerators

BI Chunhui, SUN Kai, WANG Tao, LI Shuyu

（Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China）

To ensure safe operation of the turbogenerator, the distribution of flux density and temperature in the end region is detected. Thus, the online monitoring system of flux density and temperature in the turbogenerator end-region are developed. The system in which the transducer technology and auto–controlled technology are used can acquire and process data of flux density and temperature in turbogenerators end-region automatically, and give instructions of normal, warning or danger for the operation of the turbogenerator through the calculation and analysis by the expert system. The test results indicate that the system is highly automatic, convenient and well precise, and it meets the requirement of operation on site.

turbogenerators end-region; online monitoring; CompactRIO system; LabVIEW

TM311

A

1000-3983(2014)01-0006-04

国家科技重大专项（2009ZX06004-013-04-01）

2013-07-26

毕纯辉（1964-），1987年毕业于吉林工业大学检测技术及仪器专业，2001年获哈尔滨工业大学仪器仪表工程硕士学位，现从事电机检测技术及在线监测技术研究，高级工程师。

审稿人：刘 莹