摘要：温度是评估发电机状态的关键参数。本文将介绍两个有效监测发电机温度的方法，以及它们在两个不同电厂的应用。 其中一个是加拿大魁北克省梅西埃Mercier水力发电厂, 他们的一台机组长期过热。电厂一直在使用主机厂[OEM]的系统监测转子磁极温度，该系统直接安装在转子上。但电厂希望采用永久性的转子温度监测方案来替代原有系统。VibroSystM在现场安装了ThermaWatch RotorTM 转子温度监测传感器。本文第一部分将探讨使用非接触式测量技术来监测大型旋转电机的转子磁极表面，线圈绕组和连接部件温度的应用和成效。 

　　第二部分将着重于介绍有着优异绝缘性能的加固型接触式光纤温度传感器，用来监测加拿大魁北克电力公司的 Rapide-2 水电站可疑的过热问题。  23号机组，新安装的滑环可能有过热现象。为了收集更多的准确数据，电厂安装了碳刷装置 光纤温度传感器，结果发现异常温升。发电机制造厂[OEM]承认确实有过热问题并采取了改正措施。 之后收集的数据证实问题已经得到解决。 

　　本文表明， VibroSystM的接触和非接触式温度测量技术，给用户提供了一个可靠, 永久和有用的手段，以帮助发电厂有效安全地运行发电机。

　　关键词：温度，监测，转子，发电机，碳刷装置

　　1.0 - 案例 1 – 引言

　　加拿大魁北克省梅西埃Mercier水力发电厂一台机组长期有过热问题。电厂一直使用主机厂（ OEM ）的系统监测转子磁极温度，该系统直接安装在转子上。问题是安装是非永久性的，因此持续不断地监测和趋势分析是不可能的。反复安装和卸载系统需要经常停机及额外人工, 成本昂贵。此外，安装和卸载该系统是一个复杂而艰巨的任务，而且系统需要安装在转子上，这种情况其实应该尽量避免。

　　电厂希望采用永久性的转子温度监测方案来替代原有系统。VibroSystM在现场安装了ThermaWatch RotorTM 转子温度监测传感器。ThermaWatch RotorTM测量结果与以前主机厂（ OEM ）的系统数据相吻合。这些数据证实， VibroSystM的解决方案提供了每个转子磁极温度的有效测量数据, 甚至在每秒120个磁极掠过的情况下仍然可以准确测量。

　　2.0 - 设计

　　梅西埃大坝，位于加蒂诺河上，建于1927年, 是创建Baskatong水库一系列工程的一部分，净水头18.3米和长度359米，大坝原来只是蓄水给下游的三个发电厂： Paugan ，Chelsea，和Rapides-Farmers，容量分别是236 ， 144和106兆瓦。考虑到充分利用季节性水位变化和能源，从2003年开始三年期间， 安装了5个水轮发电机，总容量50.5兆瓦。然而，即使在安装之前，发电机冷却系统就预计将有问题。 虽然安装之前修改了冷却通路，3号机组试运行时 ，转子仍是过热。一个转子磁极因此需要更换。

图 1 – Mercier梅西埃大坝

　　2.1 ThermaWatch RotorTM 安装

　　3号机组转子磁极更换后, 梅西埃电厂开始寻找永久性的转子温度监测方案。 VibroSystM的
ThermaWatch RotorTM 正是他们所需要的监测手段。 ThermaWatch RotorTM 传感器是一个专门为大型旋转电机所设计的快速反应, 非接触式温度传感器。由于其体积小，ThermaWatch RotorTM 安装简便，可以通过定子铁心通风孔或任何其他方便的位置来监测目标温度。 其4-20 mA输出可连接到ZOOM®系统或任何其他合适的仪器。ThermaWatch RotorTM 能够测量转子磁极温度，转子阻尼线圈温度，转子磁极连接部件温度和任何发电机旋转部件温度。该传感器，结合其他状态量，并通过ZOOM®系统，可以为用户提供全面的机器状态分析诊断。见图2

　　图 2 - VibroSystM’s 快速反应 非接触式温度传感器及前置器: ThermaWatch RotorTM

　　梅西埃电厂决定在3号机组采用ThermaWatch RotorTM 监测方案。 见图3

　　图 3 - ThermaWatch RotorTM 在3号机组安装图片, 通风孔安装
　　试验结果表明，不仅是有可能在每秒120个磁极掠过传感器时, 获得整个磁极表面温度的精确测量数据，而且可以读取准确的线圈温度。见图4

　　图 4 –线圈发热造成

　　磁极之间的温度高于磁极表面温度

　　机组运行时的初步数据表明，虽然磁极表面温度正常， 但磁极之间的温度高于预期，意味着转子线圈的温度将更高。鉴于持续的过热问题，电厂决定，发电机只能按80%的出力运行。

　　3.0 - 结论

　　在梅西埃电厂，ThermaWatch RotorTM 已证明其诊断分析的功能。该测试证实了通过非接触式测量, 现在有可能获得准确的转子磁极表面和磁极连接部件的温度数据。被动式的测量技术手段，意味着不需要对转子作任何的改动，这是在许多层面上该技术主要的优势，特别是在主机厂有异议的情况下。

　　温度监测是机组检修所必须关注的一个关键参数。转子磁极温度与各种可事先预防的问题有关系，如：

　　–    短路
　　–    转子提前老化
　　–    无法正常发电
　　–    事故停机

　　ThermaWatch RotorTM相对于其他现有产品的优势在于它能够精确测量转子所有部件的温度。 ThermaWatch RotorTM 作为一个独特的温度测量技术，可以准确识别过热源。无需昂贵和复杂的安装方式，被动式测量器件，因此可以确保机组和人员安全运行。

　　转子过热 - 包括磁极过热，线圈故障，磁通量变化，磁极连接部件和阻尼线圈过热 - 现在可以提前预知, 这就可能避免机组损坏, 和昂贵的事故停机损失。 

　　图 5 – 转子磁极连接部件过热损坏

　　因为该机组的成功应用, 目前超过25 套ThermaWatch RotorTM 已经安装在其他机组上。 其中大部分机组涉及转子磁极连接部件过热问题，请参看上面的图片（图5 ）。这一重要问题，将会继续在未来的论文中加以探讨。

　　4.0 - 案例 2 – 引言

　　温度是评估发电机状态的一个关键参数。 许多过热的问题，是由于过流或异常振动/磨损造成的, 该问题特别会对滑环和碳刷的寿命和性能造成影响。因此，监测这两个紧密关联的部件非常重要。

　　该案例将阐述 位于加拿大魁北克省Rapide-2 水电站的应用。 （见图6 ） 

　　该电厂于1954年开始运作， 2003年重新改造。有 4 台发电机组。23号机组，电厂怀疑新滑环有过热问题。为了收集更多的准确数据，电厂安装了在线滑环和碳刷装置 温度监测系统, 结果发现异常温升。

　　图 6 – Rapide-2 水电站


　　4.1 23号机组滑环过热

　　2003年4台机组开始按顺序改造。在调试试验过程中，电厂怀疑滑环过热。因此，必须考虑温度监测。第一次测量暂时采用了无线旋转接触式RTD （电阻温度传感器），直接安装在滑环上。温度为145摄氏度，确认滑环过热（最多可接受：125°C)1。电厂希望采用永久性的在线监测方案以取代临时性的旋转式接触传感器（ RTDs ）。Hydro-Quebec寻求VibroSystM的意见, VibroSystM建议采用不同类型的传感器。

　　4.2 加固型高温传感器

　　一般认为滑环和碳刷装置问题是密切交织在一起的。例如，Mr. Douglas E. Franklin, 来自不列颠 哥伦比亚水电公司,在他的文章Mechanical Aspects of Brushgear, 碳刷装置的机械方面, 发表在2007年8月的 水电评论杂志, 指出 “如果试图找出碳刷装置的根源问题, 重要的是要看励磁系统的各个方面 。特别是，滑环沟槽可以影响碳刷性能。由于转子绕组阻抗不大可能改变，额外的电压压降将在碳刷产生。励磁系统额外的功率输出将在碳刷上以散失热量方式消耗, 最有可能发生这种情况的位置就是碳刷和滑环的接触面。"2

　　因此，电厂安装了专为恶劣环境所设计的接触式传感器。这样，即使该区域随着时间的推移会有很多的粉尘积淀和油污, 但是仍然可以长期搜集准确和有效的温度数据。因为碳刷是高压部件，传感器的选择非常重要, 传感器必须是非金属材质而且不导电。 

　　VibroSystM因此建议采用FOT光纤温度传感器（见图7 ） ，其传感器探头和线缆不含任何导电材料, 所以不受电磁干扰（ EMI ） 。温度测量范围0 -2 00℃ （ 3 2- 39 2°F ），这符合电厂标准，考虑到IEEE的标准是最高不能超过125°C1。

　　图7 - FOT 轻巧探头: 不受电磁干扰, 非金属材质而且不导电

　　5.0 - 安装

　　两只 (2) FOT光纤温度传感器安装于23号机组上下两个刷架上。 见图8

　　图 8 – 光纤温度传感器安装于23号机组

　　6.0 - 结果和分析

　　FOT光纤温度传感器可以在任何工况下采集数据。当电流增加时, 该传感器也测量到温升。这是可以预见的。这个结果也证实了FOT的功能性。为进一步验证, 电厂使用RTD数据作比照。结果是一致的。

　　在满负荷工况下, 温度超过了主机厂建议的最高限额。再一次来自三种不同类型的传感器(FOT光纤温度传感器,TWIR非接触式温度传感器, RTD) 测试出来的数据是一致的。原厂确认测量数据的有效性，确实碳刷和滑环都有过热的问题。 主机厂采取了相应的措施，与电厂一起来解决这个问题。图9显示改造后3种不同类型传感器的温度数据。

　　图 9 - 改造后的温度测量数据

　　6.1 总结

　　碳刷装置温度监测可以预防故障，提供精确的集电环室温度数据, 以避免昂贵的设备更换费用。

　　温度仍然是发电机检修所需要的一个关键参数。 “ 碳刷的问题往往和工况有关，如过热[…]"3  。过热一般是各种问题的症状。其他因素，阻抗增加，过流，和碳刷-滑环接触不当会导致过热。如何解决这个问题促使电厂研究故障的其他产生原因，包括励磁的调控, 从而避免不良后果，如事故停机或者发电机过早损坏。所以滑环和碳刷温度实时监测 提供了永久,可靠, 而且-更重要的是-一个有用的手段，帮助电厂人员有效安全地运行发电机。在Rapide-2水电站取得的成果得到魁北克电力公司的肯定, 魁北克电力公司决定进行进一步的测试，并启动了一个试点项目，旨在评估励磁机的温度测量效率。魁北克电力公司的目标是通过这一项目，在其他下属电厂(总发电容量35 000兆瓦)全面推广该项技术, 以防止发电机的过热问题，避免火灾意外并事故停机。

　　很快项目开始执行。Rapide-2 和 Rapide-7水电站整改以后 ，安装工程师注意到励磁机室内的温度升高，这个问题会导致机组无法正常运行甚至事故停机。因此魁北克电力公司决定在上滑环和下滑环位置的绝缘碳刷上各安装一只FOT传感器。绝缘和非绝缘碳刷承受相同等级的电压，但没有任何电流通过绝缘碳刷。尽管有这种差异，因为碳刷直接与滑环接触，绝缘碳刷仍然会传递上下滑环的温度变化。初步测试显示，绝缘和非绝缘碳刷的温差是4 ℃，绝缘碳刷温度较低可以解释为没有电流通过。绝缘碳刷的温度监测被证明是更容易产生准确的测量结果, 因为不受电流变化的影响。非绝缘碳刷受到电流波动的影响, 该温度变化不一定直接与滑环的温度相关。从这两个FOT传感器的测试结果，魁北克电力公司再次确认FOT可以持续可靠地监测发电机励磁系统实际温度。 

　　7.0 - 结论

　　测量处于恶劣环境的碳刷温度 现在可以在电厂安全实施了，即使是在机组运行并发电的情况下也可以无间断进行。案例中所提到的技术是作为一种永久性的碳刷温度监测方案。然而，正如我们在案例1中所看到的, 未来的应用还包括快速反应的非接触式温度传感器：ThermaWatch RotorTM, 一个独特的测量磁极表面和绕组温度的解决方案，不对转子造成任何影响。转子磁极温度再结合碳刷温度，磁通量和气隙监测，通过ZOOM®平台整合, 将为用户提供更详细的发电机各部件温度分析，以及可靠的发电机状态分析诊断工具。

　　®/TM  ZOOM 是VibroSystM Inc维保公司注册商标。 ThermaWatch Rotor 是维保公司商标。

　　8.0 - 参考文献

　　(1) IEEE 标准 C50。12 – 2005

　　(2-3) E. Franklin, Douglas, HYDRO REVIEW, AUGUST 2007, MECHANICAL ASPECTS OF BRUSHGEAR


　　(4) Daniel Chen, David Wong, VIBROSYSTM INC., Rémi Tremblay, HYDRO-QUÉBEC, NEW ON-LINE TECHNOLOGY TO MONITOR SLIP-RING AND BRUSHGEAR TEMPERATURE, ASIA 2008, DANANG,
 VIETNAM

　　9.0 - 作者简介

　　Mr. Marc Bissonnette 毕业于加拿大Sherbrooke 大学。 自1987年以来，他一直参与大型旋转电机状态监测系统的研发和实施工作。通过与全球几个水电站的密切合作，他特别对维保监测在水电领域的研发方向作出贡献。Mr. Bissonnette 曾是1988年至1999年的IEEE会员，并参加了IEEE委员会 有关水轮发电机状态监测的小组工作。Mr, Bissonnette 参与了专利电容测量技术的发明和ZOOM系统的研发工作，他目前担任维保公司销售经理。

　　Mr. David Wong 2007年毕业于加拿大Concordia大学。他2007年6月加入VibroSystM公司，现在担任美国西南地区销售代表。