熱電阻測溫與光纖測溫的比較分析

[摘要]通過闡述熱電阻溫度傳感器的測溫原理及熒光光纖測溫原理，比較兩種測溫方式的特點，采用實證研究法分析了二者在水輪發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子運行監(jiān)控中的優(yōu)缺點，進一步提出了光纖測溫在水電站發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)用的技術(shù)方法。結(jié)果表明光纖測溫有效提高了發(fā)電機運行的安全性能，為類似工程運行狀態(tài)掌控提供了一定的技術(shù)支撐和實踐經(jīng)驗。
0引言
　　目前光纖測溫在溫度檢測領(lǐng)域的技術(shù)已十分先進,因其具有不易被電磁干擾的特性,且操作簡便、傳輸性強，與計算機等高科技產(chǎn)品匹配性能好，廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、航天航空業(yè)、海洋開發(fā)等眾多領(lǐng)域。由于該項技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的測溫技術(shù)，在國外許多發(fā)達國家十分受青睞。但是在我國水電站建設(shè)中，對水電站發(fā)電機機組運行狀態(tài)進行跟蹤，使用的主要方式仍然是在發(fā)電機定子內(nèi)安裝傳統(tǒng)的熱電阻測溫系統(tǒng)。基于豐滿水電站重建工程，首次嘗試將光纖測溫系統(tǒng)引人到發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)，在光纖信號傳輸方式和光纖測溫安裝技術(shù)控制上實現(xiàn)突破。通過對比分析傳統(tǒng)熱電阻測溫與光纖測溫系統(tǒng)這兩種測溫技術(shù)的.優(yōu)缺點，提出了光纖測溫在水電站發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)用的技術(shù)方法，旨在為類似工程運行測溫系統(tǒng)提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗參考。
1.熱電阻溫度傳感器的測溫原理
　　熱電阻是應(yīng)用廣泛的溫度傳感器,在化工工業(yè)生產(chǎn)溫度測量與自動化控制中具有重要的作用。由于電阻體的阻值是隨著溫度變化的,并且呈一定函數(shù)關(guān)系特性，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化,就可以測量出溫度。所以熱電阻溫度傳感器就是根據(jù)電阻的熱效應(yīng)特性而制成的,通.過感溫熱電阻的阻值變化進行測溫，主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。
　　金屬熱電阻可以用下列函數(shù)表示其電阻值和溫度之間的關(guān)系:
Rt=Rt0[1+α(t-t0)](1)
　　式中:Rt為溫度t時的阻值,Ω;Rt0為溫度t0時對應(yīng)電阻值(通常t0=0℃),Ω;α為溫度系數(shù),(℃^-1)。
　　半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系的函數(shù)表達式為:
Rt=Ae^B/t(2)
　　式中,Rt為溫度為t時的阻值,Ω;A、B為常數(shù),由材料的物理性質(zhì)決定。
　　金屬熱電阻具有測溫范圍大、穩(wěn)定性好和耐氧化等特點,在溫度測量中占有重要的地位，因而在工程控制中得到廣泛的應(yīng)用。相比之下,熱敏電阻在常溫下的電阻值通常在數(shù)千歐以上,其電阻值更.高,并且溫度系數(shù)更大，測溫范圍只有-50℃--300℃左右，而且非線性嚴重,互換性較差。
2光纖測溫原理
　　光纖傳感技術(shù)是伴隨光導(dǎo)纖維和光纖通訊技術(shù)發(fā)展的一種新的傳感技術(shù)問。按照工作原理,光纖溫度傳感器的類別分為功能型和傳導(dǎo)型兩種。功能型傳感器是以溫度檢測為依據(jù)，以光纖跟隨.溫度變化改變而設(shè)計的傳感器。傳導(dǎo)型溫度傳感器則是以光作為信號指示，在溫度檢測時可以避.開復(fù)雜環(huán)境。
　　光纖測溫技術(shù)主要包括分布式光纖測溫技術(shù)和紅外測溫技術(shù)，其中紅外測溫技術(shù)只能測量電.器設(shè)備表面的溫度，而分布式熒光光纖測溫可以直接預(yù)埋在電器設(shè)備中實現(xiàn)內(nèi)外監(jiān)控。因此,熒光光纖測溫具有較強的便捷性，成為了當前比較熱門的測溫技術(shù)。熒光光纖測溫的原理就是利用熒光材料會發(fā)光的特性,在光纖末端鍍上熒光物質(zhì),當熒光物質(zhì)被紫外線或紅外線等--定波長的光激勵后而輻射出熒光能量。這種熒光物質(zhì)受激輻射產(chǎn)生的能量按指數(shù)方式衰減，衰減的時間常數(shù)隨著溫度的變化而改變。測量點的溫度就可以通過測量衰減時間來得出。
3熱電阻測溫與光纖測溫對比分析
3.1熱電阻測溫方式
　　金屬熱電阻溫度傳感器測溫是用金屬導(dǎo)線傳.輸信號的,絕緣性無法保證。并且在電阻信號的傳導(dǎo)中需要通過引線把由溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的一次元件傳遞到儀表上。然而安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)用熱電阻與控制室之間有一定的距離,熱電阻引線加長對測量結(jié)果產(chǎn)生了較大的影響。金屬熱電阻的傳導(dǎo)途徑為熱量傳至金屬熱電阻外殼,再傳人外殼下的測溫元件,然后促使該測溫元件再進行阻值的變化。由于金屬測溫電阻技術(shù)很成熟,所有水電站都是用該種測溫電阻。豐滿水電站三期建設(shè)中兩臺機組全部采用的是金屬測溫電阻,均勻分布在定子鐵芯和繞組層間。實踐證明:豐滿水電站三期兩臺機組自1998年發(fā)電以來,運行了23年之久,其定子鐵芯及定子繞組間安裝的金屬測溫電阻一直正常工作，從未發(fā)生因為測溫電阻損壞而導(dǎo)致停機更換測溫電阻的事件,由此可見金屬測溫電阻的可靠性能較好。
3.2光纖測溫方式
　　光纖溫度傳感器依靠光導(dǎo)纖維傳輸溫度信號,既是溫度感知原件,也是數(shù)據(jù)傳輸單元。光導(dǎo)纖維的絕緣性能優(yōu)異,能夠隔離開關(guān)柜內(nèi)的高壓，因此可以在開關(guān)柜內(nèi)的高壓觸點上直接安裝光纖溫度傳感器，做到準確測量高壓觸點的運行溫度,實現(xiàn)開關(guān)柜觸點運行溫度的在線監(jiān)測。然而光纖具有易折、易斷、不耐高溫等特性,當光纖積累灰塵后會導(dǎo)致光纖沿面放電，從而降低光導(dǎo)纖維的絕緣性能。并且開關(guān)柜結(jié)構(gòu)影響柜內(nèi)布線,在柜內(nèi)布線難度較大。
　　此外,熒光光纖測溫為光纖單點測溫。傳感器尺寸小、長期可靠性高、價格適中、不僅能實現(xiàn)單面柜體配置,亦可構(gòu)建溫度監(jiān)測系統(tǒng)，施工和調(diào)試過程方便快捷。
3.3二者對比分析
　　傳統(tǒng)的金屬熱電阻測溫技術(shù)在水電站定子.上應(yīng)用比較成熟，由于測溫電阻均布在定子鐵芯及繞組內(nèi)，均布的測溫電阻可以將定子整體進行實時監(jiān)控。并且材料及技術(shù)的更新,可以將強磁場、機組振動等影響熱電阻測溫準確性的因素降到最低，這種測溫技術(shù)可以很好地反應(yīng)定子的運作情況,是水電行業(yè)中發(fā)電機內(nèi)通用的測量手段。但是.通過對測溫電阻溫度值的比較，發(fā)現(xiàn)其測溫點相對較少,而且轉(zhuǎn)子磁極沒有溫度監(jiān)控,無法實時監(jiān)控磁極的運行狀態(tài)。與其相比，光纖溫度傳感相較于其他溫度傳感技術(shù)，具有耐腐蝕抗電磁干擾、低能耗、電絕緣、易布置等諸多優(yōu)勢叫，看到了水電站發(fā)電機測溫精度提升的空間。基于光纖測溫在變壓器內(nèi)使用的比較廣泛，技術(shù)相對成熟，綜合水電站運行時發(fā)電機工況環(huán)境,適合采用熒光光纖測溫電阻。
　　熱電阻測溫與熒光光纖測溫系統(tǒng)這兩種檢測方式在水輪發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子運行監(jiān)控中的對比分析見表1:
 
4光纖測溫在水輪發(fā)電機內(nèi)的應(yīng)用
4.1豐滿水電站重建工程發(fā)電機測溫系統(tǒng)
　　豐滿水電站重建工程單機容量20萬kW,6臺機組,總裝機120萬kW,混流式立體水輪發(fā)電機，單機輸出15.75萬kW。水輪發(fā)電機的定子溫度監(jiān)測安裝有兩套測溫系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子磁極安裝有一套光纖測溫系統(tǒng),定子的測溫點多,并且磁極上也有測溫裝置。測溫取點增多對定子的監(jiān)控部位相應(yīng)增多,進而提高了安全性能,在異常情況時能及時發(fā)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)用更為直觀的溫度顯示來監(jiān)測磁極是否有異常,比如連接螺絲可能松動,松動的螺絲會導(dǎo)致極間連接銅排接觸面積變化，最終導(dǎo)致電流變化，從而引起磁極的溫度變化,引發(fā)報.警,提示運行人員。而且光纖溫度信號的傳輸更穩(wěn)定,不受磁場、感應(yīng)電流、環(huán)境溫度的影響,可以點對點地對測溫位置進行實時監(jiān)控。
　　在數(shù)據(jù)傳輸速度及靈敏度方面，光纖測溫電阻有更大的優(yōu)勢,能更加快速地反映出定子、轉(zhuǎn)子的實時溫度情況,一旦有意外發(fā)生,能用最快的速度將機組定子、轉(zhuǎn)子的實時溫度傳輸給電廠運行人員，為突發(fā)狀況的處理提供更多的時間,這一點極為重要。
4.2關(guān)鍵技術(shù)研究
4.2.1.光纖信號傳輸方式
　　在光纖測溫系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子上的光纖信號傳輸分為兩種方式:一種是有線傳輸,磁極和電環(huán)中的光纖測溫信號及電源電量的傳輸是關(guān)鍵問題。為此,為光纖測溫系統(tǒng)增加了滑環(huán)和刷架，通過滑環(huán)和刷架上的碳刷將電源傳人轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)的控制箱中，再將信號通過它從轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)的控制箱中傳輸?shù)綑C坑外光纖盤柜主機上。另-.種傳輸方式是無線傳輸，通過在轉(zhuǎn)子中心體外的轉(zhuǎn)子上端安裝一個無線發(fā)射器以及在上機架上安裝一個無線接收器來完成轉(zhuǎn)子內(nèi)光纖測溫信號的傳輸。
　　轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動部分,固定走線成為重點。通過線夾，不銹鋼管和開口式高溫軟管將光纖測溫線引至轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)的控制箱中。
4.2.2光纖測溫安裝
　　光纖測溫安裝時要避免使光纖產(chǎn)生有銳角的硬彎,對于62.5/125μm的傳感器和光纜來說,規(guī)定的最小轉(zhuǎn)彎半徑是18mm。同時避免使光纜承受張力或扭矩，在安放傳感器時也要避免夾傷或使其承受剪力,不要用拉扯的方式去解除光纜的纏結(jié),并且避免在硬的表面摔落或劃傷光纖連接器。要保持光纖接頭表面的絕對清潔,在每次連接前后，要用所提供的光纖清潔器充分清理所有的連接，內(nèi)部光纖在安裝使用過程中一定要注意清潔,避免讓光纖接觸灰塵和污漬等。
　　此外，由于在實際施工過程當中各個專業(yè)施工材料繁雜,人員行走、搬運材料及施工過程中極容易損傷光纖線，為此需要制作專門的成品保護裝置(如可以將光纖線放進去的保護盒),該保護裝置必須滿足在使用期間無法移動，能將光纖所有外露線均保護起來,還要有足夠的強度。
5結(jié)論
　　機組在運行及停止運行期間會發(fā)生振動,強磁場、溫濕度差別會比較大,這些因素對光纖測溫的精度和靈敏度產(chǎn)生較大影響。但經(jīng)過實際對比發(fā)現(xiàn),在外界同等強度的不利因素下,光纖測溫系統(tǒng)靈敏度及精確度均優(yōu)于傳統(tǒng)熱電阻測溫系統(tǒng)，所以光纖測溫系統(tǒng)在信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性上占據(jù)優(yōu)勢,但是安裝和成品保護方式卻大不相同。
　　光纖測溫優(yōu)于金屬熱電阻,安全性更高,可以在異常情況剛有苗頭時及時發(fā)現(xiàn),這有效提高了發(fā)電機運行的安全性能,所以水電站測溫系統(tǒng)應(yīng)首選光纖測溫。但是為了彌補光纖易損壞的缺點,保證機組測溫監(jiān)控萬無一失,水電站定、轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測要以光纖測溫系統(tǒng)為主,金屬熱電阻為輔的模式進行布置，這樣既保證了機組實時數(shù)據(jù)的傳輸效率,又雙重保證了機組的溫度監(jiān)控不輕易間斷。