光纤测温技术在沙坪电站励磁系统中的应用

周 勇

（国电大渡河沙坪水电建设有限公司，四川 乐山614300）

0 概述

随着国民经济的持续、稳定发展，社会进步进入快车道，对电力系统稳定、持续运行提出更高的要求。在电力系统中，温度是设备运行正常的一个重要指标。由于目前主要通过值班人员定期用红外热像仪、测温枪等仪器对设备进行离线式监视，此类方法测量误差大，并且只能测量设备的表面温度，不能对封闭式、高电压、强电磁的接触点温度进行有效测量和监测[1]，所以急需找到一种更为有效的温度测量方法，从而实现对设备更有效的温度监视。

沙坪二级水电站位于四川省乐山市峨边彝族自治县和金口河交界处，是大渡河规划的22个梯级水电站中的第20级沙坪梯级水电站的第二级，采用国内最大灯泡贯流式机组，装设6台单机容量58 MW灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量为348 MW。额定定子电压10.5 kV，通过主变压器升压至500 kV，连接至500 kV峨眉南天变电站，与双江口、瀑布沟联合运行。

沙坪二级水电站采用广州擎天实业有限公司的EXC9100励磁系统，功率柜采用三相桥式全控整流电路[2]，额定励磁电流为1 015 A。励磁系统作为水电站发电系统中的一部分，控制着发电机的机端电压和励磁电流，对机组的安全、稳定运行有着至关重要的作用。励磁系统功率柜可控硅等功率元件作为励磁系统的主要发热元件，对其温度测量及实时监控是设备安全运行的重要指标之一。

沙坪二级水电站励磁系统采用荧光光纤测温技术，实现功率柜可控硅元件的在线温度测量及实时传输，确保励磁系统可靠、安全、稳定运行。实践表明，光纤测温技术具有测量精度高、实时性好、易于安装、便于维护等特点，具有很好的监测效果和广泛的应用前景。

本文主要介绍荧光光纤在线测温装置的基本原理及安装使用方法。

1 光纤测温的基本原理及测温装置

荧光光纤测温装置较适用于高电压、强电磁等复杂环境测温需求及拓扑结构复杂的多点温度监测。

1.1 荧光光纤测温的原理

荧光光纤测温装置所使用的荧光光纤温度传感器属于传光型光纤温度传感器，传感器探头由多模光纤和荧光体组成，是利用光纤作为传输测量信号的传感器。荧光体一般采用特殊稀土荧光材料，当荧光材料受到一定波长的光触发后，荧光体发出的荧光按照指数形式衰减。由于不同温度下荧光的衰减时间不同，因此可以把荧光光纤温度传感器以某种方式放置于被测温度范围内，通过测量荧光的衰减寿命来实现温度测量的目的。荧光光纤测量原理图如图1所示。

图1 荧光光纤测温装置原理图

1.2 荧光光纤测温装置

荧光光纤测温装置主要由荧光光纤传感器、延长光纤与光纤温度解调仪组成，如图1所示。光纤温度解调仪发出一个激励光脉冲，光脉冲通过延长光纤到达荧光体传感探头激发出荧光，荧光又通过耐温光纤回传至调解仪后，调解仪通过计算荧光衰减寿命从而得到所对应的温度。

光纤温度解调仪一般具有modbus 485通信功能，把所测量的温度信号通过通信的方式上传至上位机监控系统，上位机可通过根据测量得到的温度信息进行相应的控制或报警操作[3，4]。

2 现场应用

沙坪二级水电站励磁系统采用荧光光纤测温技术，将光纤温度探头直接安装在贴近可控硅极板位置，从而确保测温探头可以最真实直接的反映可控硅本体的温度，测量值准确，响应速度快。同时由于耐温光纤和延长光纤极强的绝缘性能，保证了在高电压、大电流可控硅整流桥工作时自身的绝缘性能，确保荧光光纤测温装置的安全稳定运行。为保证设备的可靠运行和准确监测温度，沙坪二级水电站励磁系统在采用荧光光纤测温的同时也采用了铂电阻测温，铂电阻安装可控硅之间测量屏柜内的环境温度，铂电阻测量的是环境温度，荧光光纤直接测量可控硅的温度，故铂电阻测量温度较光纤测量温度低。目前沙坪二级水电站励磁系统铂电阻、荧光光纤两种测温装置均正常运行，6台机组励磁系统铂电阻测温温度较荧光光纤测温温度总体低6℃左右，均正常的反应了可控硅温度的实际工况。

2.1 测温装置的安装与使用

荧光光纤温度探头的安装方式如图2所示，在可控硅散热器上开一贯通的小孔，将涂有稀土物质的荧光体温度探头安装在此小孔并接触到可控硅的壳体，再用硅胶填充小孔来固定住荧光体温度探头。测温探头固定在可控硅本体上，从而真实的检测到可控硅的温度。每个功率柜有6个可控硅组件，每个可控硅组件上设置1个荧光体测温点，共计6个测温点，对应1套6通道荧光光纤温度测温仪。

图2 可控硅安装荧光光纤传感器

沙坪二级水电站3号机组励磁系统6个可控硅温度显示如图3所示，风道铂电阻测试温度为20.31℃，6个荧光光纤测温为25～27℃之间，其余投运机组在相同的励磁电流下温度显示均为25～27℃之间，均真实的反应了可控硅当前的运行温度。

图3 3 F励磁系统可控硅温度显示

2.2 网络拓朴图

荧光光纤测温系统拓扑图如下页图4所示。整个电站测温系统由6台励磁系统的测温装置、各监控主机、数据集中单元、集中监控计算机以及人机交互软件等部分组成。数据集中单元、集中监控计算机一般安装在主控室，方便运行人员对电气设备温度的在线检测。

安装在监控计算机中的荧光光纤在线监测软件系统提供简单、实用、高效的监控平台。软件系统的主要功能包含实时温度的本地监控、实时数据的远程监控、高/低温报警、高/低温预警、历史数据回放、报警前后曲线、温度导出至Excel等功能。软件系统提供良好的人机界面，强大的数据处理能力，并可对历史数据进行存储和查询。

图4 监测系统网络拓扑图

3 结束语

荧光式光纤测温装置利用光纤作为传输测量信号的传感器，具有抗电磁干扰、高压绝缘、稳定可靠、高精度、高灵敏度、微小尺寸、长寿命及耐腐蚀、适应性好等诸多优点，尤其适应于高电压、强电磁（电磁干扰EMI、射频干扰RFI和电磁脉冲EMP）等特殊工业环境中的温度监测。荧光光纤在线测温装置在沙坪二级水电站励磁系统的应用，较好的解决了可控硅元件的温度实时监测功能，同时测量值也准确的反应了设备的真实值，取得了较好的测量和监控效果。同时该测温装置还可广泛推广到定子焊头块、高压开关柜、发电机出口母排接头、电缆终端等大电流设备接头的温度在线监测，更好的为电力系统安全、可靠的运行提供保障。