摘要：溫度是評估發電機狀態的關鍵參數。本文將介紹兩個有效監測發電機溫度的方法，以及它們在兩個不同電廠的應用。 其中一個是加拿大魁北克省梅西埃Mercier水力發電廠, 他們的一台機組長期過熱。電廠一直在使用主機廠[OEM]的係統監測轉子磁極溫度，該係統直接安裝在轉子上。但電廠希望采用永久性的轉子溫度監測方案來替代原有係統。VibroSystM在現場安裝了ThermaWatch RotorTM 轉子溫度監測傳感器。本文第一部分將探討使用非接觸式測量技術來監測大型旋轉電機的轉子磁極表麵，線圈繞組和連接部件溫度的應用和成效。

　　第二部分將著重於介紹有著優異絕緣性能的加固型接觸式光纖溫度傳感器，用來監測加拿大魁北克電力公司的 Rapide-2 水電站可疑的過熱問題。 23號機組，新安裝的滑環可能有過熱現象。為了收集更多的準確數據，電廠安裝了碳刷裝置 光纖溫度傳感器，結果發現異常溫升。發電機製造廠[OEM]承認確實有過熱問題並采取了改正措施。 之後收集的數據證實問題已經得到解決。

　　本文表明， VibroSystM的接觸和非接觸式溫度測量技術，給用戶提供了一個可靠, 永久和有用的手段，以幫助發電廠有效安全地運行發電機。

　　關鍵詞：溫度，監測，轉子，發電機，碳刷裝置

　　1.0 - 案例 1 – 引言

　　加拿大魁北克省梅西埃Mercier水力發電廠一台機組長期有過熱問題。電廠一直使用主機廠（ OEM ）的係統監測轉子磁極溫度，該係統直接安裝在轉子上。問題是安裝是非永久性的，因此持續不斷地監測和趨勢分析是不可能的。反複安裝和卸載係統需要經常停機及額外人工, 成本昂貴。此外，安裝和卸載該係統是一個複雜而艱巨的任務，而且係統需要安裝在轉子上，這種情況其實應該盡量避免。

　　電廠希望采用永久性的轉子溫度監測方案來替代原有係統。VibroSystM在現場安裝了ThermaWatch RotorTM 轉子溫度監測傳感器。ThermaWatch RotorTM測量結果與以前主機廠（ OEM ）的係統數據相吻合。這些數據證實， VibroSystM的解決方案提供了每個轉子磁極溫度的有效測量數據, 甚至在每秒120個磁極掠過的情況下仍然可以準確測量。

　　2.0 - 設計

　　梅西埃大壩，位於加蒂諾河上，建於1927年, 是創建Baskatong水庫一係列工程的一部分，淨水頭18.3米和長度359米，大壩原來隻是蓄水給下遊的三個發電廠： Paugan ，Chelsea，和Rapides-Farmers，容量分別是236 ， 144和106兆瓦。考慮到充分利用季節性水位變化和能源，從2003年開始三年期間， 安裝了5個水輪發電機，總容量50.5兆瓦。然而，即使在安裝之前，發電機冷卻係統就預計將有問題。 雖然安裝之前修改了冷卻通路，3號機組試運行時 ，轉子仍是過熱。一個轉子磁極因此需要更換。

圖 1 – Mercier梅西埃大壩

　　2.1 ThermaWatch RotorTM 安裝

　　3號機組轉子磁極更換後, 梅西埃電廠開始尋找永久性的轉子溫度監測方案。 VibroSystM的
ThermaWatch RotorTM 正是他們所需要的監測手段。 ThermaWatch RotorTM 傳感器是一個專門為大型旋轉電機所設計的快速反應, 非接觸式溫度傳感器。由於其體積小，ThermaWatch RotorTM 安裝簡便，可以通過定子鐵心通風孔或任何其他方便的位置來監測目標溫度。 其4-20 mA輸出可連接到ZOOM®係統或任何其他合適的儀器。ThermaWatch RotorTM 能夠測量轉子磁極溫度，轉子阻尼線圈溫度，轉子磁極連接部件溫度和任何發電機旋轉部件溫度。該傳感器，結合其他狀態量，並通過ZOOM®係統，可以為用戶提供全麵的機器狀態分析診斷。見圖2

　　圖 2 - VibroSystM’s 快速反應 非接觸式溫度傳感器及前置器: ThermaWatch RotorTM

　　梅西埃電廠決定在3號機組采用ThermaWatch RotorTM 監測方案。 見圖3

　　圖 3 - ThermaWatch RotorTM 在3號機組安裝圖片, 通風孔安裝
　　試驗結果表明，不僅是有可能在每秒120個磁極掠過傳感器時, 獲得整個磁極表麵溫度的精確測量數據，而且可以讀取準確的線圈溫度。見圖4

　　圖 4 –線圈發熱造成

　　磁極之間的溫度高於磁極表麵溫度

　　機組運行時的初步數據表明，雖然磁極表麵溫度正常， 但磁極之間的溫度高於預期，意味著轉子線圈的溫度將更高。鑒於持續的過熱問題，電廠決定，發電機隻能按80%的出力運行。

　　3.0 - 結論

　　在梅西埃電廠，ThermaWatch RotorTM 已證明其診斷分析的功能。該測試證實了通過非接觸式測量, 現在有可能獲得準確的轉子磁極表麵和磁極連接部件的溫度數據。被動式的測量技術手段，意味著不需要對轉子作任何的改動，這是在許多層麵上該技術主要的優勢，特別是在主機廠有異議的情況下。

　　溫度監測是機組檢修所必須關注的一個關鍵參數。轉子磁極溫度與各種可事先預防的問題有關係，如：

　　– 短路
　　– 轉子提前老化
　　– 無法正常發電
　　– 事故停機

　　ThermaWatch RotorTM相對於其他現有產品的優勢在於它能夠精確測量轉子所有部件的溫度。 ThermaWatch RotorTM 作為一個獨特的溫度測量技術，可以準確識別過熱源。無需昂貴和複雜的安裝方式，被動式測量器件，因此可以確保機組和人員安全運行。

　　轉子過熱 - 包括磁極過熱，線圈故障，磁通量變化，磁極連接部件和阻尼線圈過熱 - 現在可以提前預知, 這就可能避免機組損壞, 和昂貴的事故停機損失。

　　圖 5 – 轉子磁極連接部件過熱損壞

　　因為該機組的成功應用, 目前超過25 套ThermaWatch RotorTM 已經安裝在其他機組上。 其中大部分機組涉及轉子磁極連接部件過熱問題，請參看上麵的圖片（圖5 ）。這一重要問題，將會繼續在未來的論文中加以探討。

　　4.0 - 案例 2 – 引言

　　溫度是評估發電機狀態的一個關鍵參數。 許多過熱的問題，是由於過流或異常振動/磨損造成的, 該問題特別會對滑環和碳刷的壽命和性能造成影響。因此，監測這兩個緊密關聯的部件非常重要。

　　該案例將闡述 位於加拿大魁北克省Rapide-2 水電站的應用。 （見圖6 ）

　　該電廠於1954年開始運作， 2003年重新改造。有 4 台發電機組。23號機組，電廠懷疑新滑環有過熱問題。為了收集更多的準確數據，電廠安裝了在線滑環和碳刷裝置 溫度監測係統, 結果發現異常溫升。

　　圖 6 – Rapide-2 水電站


　　4.1 23號機組滑環過熱

　　2003年4台機組開始按順序改造。在調試試驗過程中，電廠懷疑滑環過熱。因此，必須考慮溫度監測。第一次測量暫時采用了無線旋轉接觸式RTD （電阻溫度傳感器），直接安裝在滑環上。溫度為145攝氏度，確認滑環過熱（最多可接受：125°C)1。電廠希望采用永久性的在線監測方案以取代臨時性的旋轉式接觸傳感器（ RTDs ）。Hydro-Quebec尋求VibroSystM的意見, VibroSystM建議采用不同類型的傳感器。

　　4.2 加固型高溫傳感器

　　一般認為滑環和碳刷裝置問題是密切交織在一起的。例如，Mr. Douglas E. Franklin, 來自不列顛 哥倫比亞水電公司,在他的文章Mechanical Aspects of Brushgear, 碳刷裝置的機械方麵, 發表在2007年8月的 水電評論雜誌, 指出 “如果試圖找出碳刷裝置的根源問題, 重要的是要看勵磁係統的各個方麵 。特別是，滑環溝槽可以影響碳刷性能。由於轉子繞組阻抗不大可能改變，額外的電壓壓降將在碳刷產生。勵磁係統額外的功率輸出將在碳刷上以散失熱量方式消耗, 最有可能發生這種情況的位置就是碳刷和滑環的接觸麵。"2

　　因此，電廠安裝了專為惡劣環境所設計的接觸式傳感器。這樣，即使該區域隨著時間的推移會有很多的粉塵積澱和油汙, 但是仍然可以長期搜集準確和有效的溫度數據。因為碳刷是高壓部件，傳感器的選擇非常重要, 傳感器必須是非金屬材質而且不導電。

　　VibroSystM因此建議采用FOT光纖溫度傳感器（見圖7 ） ，其傳感器探頭和線纜不含任何導電材料, 所以不受電磁幹擾（ EMI ） 。溫度測量範圍0 -2 00℃ （ 3 2- 39 2°F ），這符合電廠標準，考慮到IEEE的標準是最高不能超過125°C1。

　　圖7 - FOT 輕巧探頭: 不受電磁幹擾, 非金屬材質而且不導電

　　5.0 - 安裝

　　兩隻 (2) FOT光纖溫度傳感器安裝於23號機組上下兩個刷架上。 見圖8

　　圖 8 – 光纖溫度傳感器安裝於23號機組

　　6.0 - 結果和分析

　　FOT光纖溫度傳感器可以在任何工況下采集數據。當電流增加時, 該傳感器也測量到溫升。這是可以預見的。這個結果也證實了FOT的功能性。為進一步驗證, 電廠使用RTD數據作比照。結果是一致的。

　　在滿負荷工況下, 溫度超過了主機廠建議的最高限額。再一次來自三種不同類型的傳感器(FOT光纖溫度傳感器,TWIR非接觸式溫度傳感器, RTD) 測試出來的數據是一致的。原廠確認測量數據的有效性，確實碳刷和滑環都有過熱的問題。 主機廠采取了相應的措施，與電廠一起來解決這個問題。圖9顯示改造後3種不同類型傳感器的溫度數據。

　　圖 9 - 改造後的溫度測量數據

　　6.1 總結

　　碳刷裝置溫度監測可以預防故障，提供精確的集電環室溫度數據, 以避免昂貴的設備更換費用。

　　溫度仍然是發電機檢修所需要的一個關鍵參數。 “ 碳刷的問題往往和工況有關，如過熱[…]"3 。過熱一般是各種問題的症狀。其他因素，阻抗增加，過流，和碳刷-滑環接觸不當會導致過熱。如何解決這個問題促使電廠研究故障的其他產生原因，包括勵磁的調控, 從而避免不良後果，如事故停機或者發電機過早損壞。所以滑環和碳刷溫度實時監測 提供了永久,可靠, 而且-更重要的是-一個有用的手段，幫助電廠人員有效安全地運行發電機。在Rapide-2水電站取得的成果得到魁北克電力公司的肯定, 魁北克電力公司決定進行進一步的測試，並啟動了一個試點項目，旨在評估勵磁機的溫度測量效率。魁北克電力公司的目標是通過這一項目，在其他下屬電廠(總發電容量35 000兆瓦)全麵推廣該項技術, 以防止發電機的過熱問題，避免火災意外並事故停機。

　　很快項目開始執行。Rapide-2 和 Rapide-7水電站整改以後 ，安裝工程師注意到勵磁機室內的溫度升高，這個問題會導致機組無法正常運行甚至事故停機。因此魁北克電力公司決定在上滑環和下滑環位置的絕緣碳刷上各安裝一隻FOT傳感器。絕緣和非絕緣碳刷承受相同等級的電壓，但沒有任何電流通過絕緣碳刷。盡管有這種差異，因為碳刷直接與滑環接觸，絕緣碳刷仍然會傳遞上下滑環的溫度變化。初步測試顯示，絕緣和非絕緣碳刷的溫差是4 ℃，絕緣碳刷溫度較低可以解釋為沒有電流通過。絕緣碳刷的溫度監測被證明是更容易產生準確的測量結果, 因為不受電流變化的影響。非絕緣碳刷受到電流波動的影響, 該溫度變化不一定直接與滑環的溫度相關。從這兩個FOT傳感器的測試結果，魁北克電力公司再次確認FOT可以持續可靠地監測發電機勵磁係統實際溫度。

　　7.0 - 結論

　　測量處於惡劣環境的碳刷溫度 現在可以在電廠安全實施了，即使是在機組運行並發電的情況下也可以無間斷進行。案例中所提到的技術是作為一種永久性的碳刷溫度監測方案。然而，正如我們在案例1中所看到的, 未來的應用還包括快速反應的非接觸式溫度傳感器：ThermaWatch RotorTM, 一個獨特的測量磁極表麵和繞組溫度的解決方案，不對轉子造成任何影響。轉子磁極溫度再結合碳刷溫度，磁通量和氣隙監測，通過ZOOM®平台整合, 將為用戶提供更詳細的發電機各部件溫度分析，以及可靠的發電機狀態分析診斷工具。

　　®/TM ZOOM 是VibroSystM Inc維保公司注冊商標。 ThermaWatch Rotor 是維保公司商標。

　　8.0 - 參考文獻

　　(1) IEEE 標準 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 - 作者簡介

　　Mr. Marc Bissonnette 畢業於加拿大Sherbrooke 大學。 自1987年以來，他一直參與大型旋轉電機狀態監測係統的研發和實施工作。通過與全球幾個水電站的密切合作，他特別對維保監測在水電領域的研發方向作出貢獻。Mr. Bissonnette 曾是1988年至1999年的IEEE會員，並參加了IEEE委員會 有關水輪發電機狀態監測的小組工作。Mr, Bissonnette 參與了專利電容測量技術的發明和ZOOM係統的研發工作，他目前擔任維保公司銷售經理。

　　Mr. David Wong 2007年畢業於加拿大Concordia大學。他2007年6月加入VibroSystM公司，現在擔任美國西南地區銷售代表。