抽水蓄能電站溫度采集系統的設計與應用

張學峰，李建輝

（惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

抽水蓄能電站在電網中擔任調峰填谷的重要任務，機組的安全穩定運行為電網的安全穩定提供了重要保證[1]。機組各部分溫度是抽水蓄能機組重要的監控對象，溫度采集系統的運行情況直接影響到發電機組能否安全穩定運行。在水電行業中，測溫系統性能不穩定、可靠性差是非常普遍的問題，由于性能不穩定會導致溫度信號誤報，嚴重時可造成機組事故停機，這對于機組壽命及電網的安全都會造成不可估量的影響。因此，分析溫度采集系統故障原因，提高系統的長期穩定性和可靠性是一項非常緊迫的工作。

1 溫度采集系統的組成及作用

溫度采集系統主要由測溫電阻、溫度采集回路和溫度采集裝置三部分組成。測溫電阻是水電廠最重要的傳感器，它是將被測物體的溫度以電阻的形式反映出來，然后交由溫度采集裝置進行處理。溫度采集回路是將測溫電阻的值上送至溫度采集裝置的通道。溫度采集裝置將上送的溫度信號進行處理和判斷，實現水電廠對溫度信號的監控。

在抽水蓄能電站中，溫度采集系統主要用于定時采集機組定子鐵芯、定子線圈、機組推力軸承瓦、上/下導軸承瓦、水導軸承瓦、各部軸承油、冷卻器水、冷卻器油、主軸密封、上/下迷宮環及其他系統的溫度，檢查采集的溫度量是否越限，并及時將越限情況及數據傳送至機組LCU并發出報警。對部分溫度量還要進行溫度變化率監視和溫升趨勢分析，以便及時發現異常情況。由于抽水蓄能機組具有啟動頻率高、啟動時間短、機組轉速快、運行工況復雜等特點，溫度采集系統的設計是否合理和完善，關系到機組能否安全、可靠和穩定地運行。溫度采集系統的設計主要從測溫電阻的選型、安裝，回路的設計以及溫度采集裝置結構和功能的設計等幾個方面考慮。

2 惠州蓄能水電廠溫度采集系統存在的問題

惠州蓄能水電廠 （以下簡稱 “惠蓄”）在機組調試階段曾多次出現因溫度測量問題導致的誤報警甚至跳機事件，總結原因如下：①測溫電阻損壞 （主要是推力瓦溫傳感器）；②端子松動；③溫度傳感器接頭松動或進水；④溫度采集裝置工作不穩定，與機組LCU之間的modbus通信時常中斷；⑤溫度采集裝置的DO輸出模塊容易損壞，無法正常使用該裝置的硬件跳機回路；⑥溫度采集裝置只有信號斷線故障判斷功能，不具備因測溫電阻故障或回路松動導致溫度跳變引起誤發報警和跳機信號的閉鎖功能；⑦溫度采集裝置采用單電源交流220 V供電，供電可靠性不高，一旦掉電機組將處于無溫度保護運行狀態，風險較大；⑧溫度采集裝置的輸入及輸出模塊各個通道布局過于緊密，難以接線和進行其他維護工作；⑨目前該型號的溫度采集裝置已經停產，備件難以采購。

綜上所述，由于溫度采集系統存在諸多問題，致使無法保證機組的安全、可靠、穩定運行，電網安全受到影響。為此，進行了溫度采集系統的改進。本文結合系統改進過程，從測溫電阻的選型和安裝、測溫回路的設計以及溫度采集裝置功能三個方面，詳細介紹了比較合理和完善的溫度采集系統的設計、安裝及運行要求。

3 測溫電阻的選型和安裝

惠蓄采用阿爾斯通 （ALSTOM）的機組，所以傳感器都是進口傳感器，傳感器本身非常好，但由于不是為特定的使用環境制作的，因此經常出現一些問題。如：傳感器結構的問題、導線在根部斷開的問題等。不同的電廠有不同的特點，對測溫電阻的要求也不相同，測溫電阻如果不進行有針對性的設計，再好的傳感器也會出問題。因此，測溫電阻的選型是基礎，一定要結合現場實際情況，根據機組各部分的工作環境，選擇合適的產品和型號[2]。以下結合實例進行詳細說明。

3.1 推力瓦測溫電阻的選型

推力瓦用于承擔整個發電機轉子及水輪機的重力，是機組非常重要的承重部件。推力瓦瓦溫是機組非常重要的監測點之一，若瓦溫過高，可能發生燒瓦，將直接影響機組的安全運行。推力瓦測溫電阻安裝于推力瓦內，從瓦里引出來后，導線有一段距離在油槽中，根據現場情況沿著某個方向將導線盤在一起，從油槽里出來后再連接到端子箱上。在機組正常運行時，機組高速旋轉，帶動油盆內的油也高速旋轉，會對測溫電阻不斷產生沖擊。另外，對于抽水蓄能機組而言，由于機組發電工況和抽水工況的旋轉方向相反，容易導致電纜與傳感器的結合部位斷裂。

多次出現推力瓦瓦溫傳感器損壞后，重新進行了選型，選擇采用全鎧裝封裝工藝的鎧裝RTD測溫電阻 （見圖1）。這種類型的測溫電阻將電纜和測溫電阻根部集體封裝，構成一個整體。在油盆內部的電纜鎧裝后，極大地增加了傳感器的抗沖擊性，經過長期的運行檢驗，沒有再發生傳感器根部斷裂情況，運行穩定。

圖1 鎧裝后的測溫電阻

另外，對于上導瓦、下導瓦和水導瓦而言，也宜選擇此類帶有鎧裝工藝的測溫電阻。對于特定的電廠，測溫熱電阻都要進行有針對性的設計和制造，使其能最大程度地滿足現場實際條件。

3.2 測溫電阻尾部連接方式的選擇

測溫電阻尾部連接有導線全密封和帶連接接頭兩種結構形式，現在起碼有1/2的電廠采用后者，這種結構的優點是拆卸方便，一旦傳感器發生問題，可以在不用動導線的情況下把傳感器換下來。但是，要根據實際的工作環境選擇合適的測溫電阻的接頭方式。比如對于水導軸瓦測溫電阻而言，接頭一般是固定在水導油盆蓋上的，由于機組振動較大，接頭經常出現松動，在緊固過程中接頭經常損壞。此類現象在惠蓄機組調試過程中曾多次出現，極大地增加了機組的運行風險和維護難度。在振動較大的情況下，建議采用圖2所示的測溫電阻接頭，該接頭有如下優點：①接線空間比較大，接線方便；②采用彈性墊片，增大了緩沖，不容易松動；③接頭處接觸良好，使松動的可能性大大降低。

3.3 測溫電阻的安裝

測溫電阻要根據現場實際情況進行安裝。一般水輪機的瓦數為偶數，如16塊或24塊等，每個瓦上裝有一個測溫電阻，有時根據現場情況有的瓦裝有2支測溫電阻，分別輸送到不同的采集裝置。對于推力瓦而言，在抽水蓄能機組中，由于機組存在正、反兩向轉動，導致同一塊瓦的兩個測點測得的溫度差異較大，為了準確測得不同工況下的正確瓦溫，推力瓦的測溫電阻在安裝時最好采用對半的原則，即兩個方向上的測點各占1/2，然后每個方向的測溫電阻信號送至不同的溫度采集裝置。

圖2 建議采用的接頭

對于導線在油盆內部安裝的測溫電阻，在固定導線時，一定要選擇專門供油盆內使用的綁扎帶進行固定。一般的綁扎帶在高溫油中長期浸泡會老化甚至斷裂，斷裂的綁扎帶在油盆內旋轉容易引發其他事故。

另外，對于導線經油盆壁的接口處，在安裝過程中要特別注意，由于機組在運行過程中振動較大，溫度較高，容易導致漏油或者磨破電纜絕緣層，因此在安裝時要做好密封材料的選擇、防漏處理以及電纜絕緣層的保護工作，電纜要選用專業耐油 （油槽）電纜。

4 溫度采集系統回路的設計

為了方便今后的維護和減少故障點，回路設計時應盡可能減少中間轉接環節。在機組運行過程中，由于振動等原因接線端子松動是很難避免的，所以應合理設計各個溫度信號的回路。一般情況下，每個回路只設置一個轉接端子箱，溫度傳感器直接接入端子箱，然后拉電纜直接將信號接入溫度采集裝置。

此外，中間端子箱的安裝位置應選擇合理，最好選在方便維護的地方。在運行過程中若發現溫度信號出現異常，測量的溫度值不斷波動或者溫度值為最大或最小值時，應考慮是否是接線松動的緣故。比如發電機定子繞組等溫度傳感器的轉接端子箱不能安裝在發電機風洞內，否則，當出現故障時無法及時排除故障。

中間端子箱一般采用端子排的方式實現電纜的對接，端子排在選型時要注意選用防氧化能力強的端子排。在惠蓄調試期間，曾發現由于端子排氧化造成測溫電阻阻值大幅度增大的情況，為此，對端子排全部進行了更換。

有些電廠由于沒有對測溫電阻實施有效的屏蔽，發電機的強電場和強磁場對測溫電阻信號的干擾造成測溫不準。因此，一定要做好每個環節的屏蔽工作。

5 溫度采集裝置功能的完善

5.1 硬件布局

針對惠蓄溫度采集裝置的不足進行了改進，改進后的溫度采集系統布局如圖3所示。

圖3 溫度采集系統結構

該系統由2套溫度采集裝置、1個HMI人機界面和1個溫度記錄系統組成，溫度采集裝置通過modbus或其他通訊方式實現與機組LCU的通訊，完成LCU對機組各部分溫度的監視和控制。

采用兩套溫度采集裝置是為了防止在機組運行過程中由于裝置損壞或其他故障導致機組在無溫度保護的情況下運行。一般來說，溫度信號的接入應采用間隔輸入的方式來實現，比如對于推力瓦而言，若共有12塊推力瓦，則應采用奇數號瓦的溫度信號接入一個溫度采集裝置，偶數號瓦的溫度信號接入另一個溫度采集裝置。當一個溫度采集裝置因電源丟失或其他原因無法正常運行時，另一個溫度采集裝置可以繼續工作，實現對機組的保護。其他系統的溫度信號接入也大致采用這種方式。

HMI為本地管理顯示界面，要求可以通過HMI現地查看機組各部分溫度的實時數據，配置各通道的報警、跳機值，各通道溫度的補償值，進行梯度值的設置和修改，補償值的設置和修改，以及通道的閉鎖和開放功能。

溫度記錄系統應能存儲大量的溫度數據，實現溫度數據的歷史查詢，并且實現每秒至少一個采樣點的采樣頻率。

另外，對于溫度采集裝置的電源配置應采用雙電源配置方式，防止因電源丟失導致的風險。

5.2 邏輯、功能

溫度采集系統的主要功能是監測機組各部分的溫度狀況，對于重要設備設置高溫度報警和跳機出口，確保機組各部分的安全穩定運行，具體功能設置如下：①溫度采集裝置通過通訊方式將實時的溫度信號傳送給機組LCU，實現對機組各部溫度的監視；②溫度采集裝置對各通道溫度信號進行補償計算，保證溫度測量的準確性；③對各通道的溫度輸入值進行處理，產生H報警值和HH跳機值，通過通訊方式傳送給機組LCU；④設置各通道溫度信號斷線和梯度越限閉鎖跳機保護功能，即當由于斷線或端子松動導致溫度跳變頻繁時閉鎖跳機；⑤當發生梯度越限時，溫度采集裝置應產生報警信號，并傳送給機組LCU，以方便維護；⑥溫度采集裝置的一個重要作用是當溫度超過跳機值時能準確地發出跳機令，并將跳機令下發給機組實現跳機，以保護機組。圖4是跳機令的下發回路，首次溫度采集裝置應配置有硬布線出口，當溫度達到跳機值時出口動作，將信號一路傳送給機組LCU，另一路直接傳送給機組跳機繼電器；機組LCU通過程序判斷后也應提供跳機出口，經DO下發至跳機繼電器，實現跳機回路的安全、可靠運行。

6 小結

圖4 硬布線跳機令下發回路

溫度采集系統是發電機組及其輔助設備的重要保護裝置，由于測點特別多，所以風險很大，系統設計的好壞以及系統中的各個環節都將直接影響機組能否安全穩定運行。溫度傳感器的合理選型可以在很大程度上減輕由于設備損壞導致的工作量，回路設計合理可以減少誤動作的可能性，而系統設計的完善可以確保機組正確、可靠地運行?；菪畈捎酶倪M后的溫度采集系統后，運行穩定，情況良好。

［1］ 文伯瑜，姜龍華.現代水電廠計算機監控技術與試驗［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］ 梁森，等.自動檢測技術及應用［M］.北京： 機械工業出版社，2006.