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電機定子和轉子運行監控中的優缺點，進一步提出了光纖測溫在水電站發電機定子和轉子內應用的技術方法。結果表明光纖測溫有效提高了發電機運行的安全性能，為類似工程運行狀態掌控提供了一定的技術支撐和實踐經驗。
0引言
　　目前光纖測溫在溫度檢測領域的技術已十分先進,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品匹配性能好，廣泛應用于建筑業、航天航空業、海洋開發等眾多領域。由于該項技術正逐漸取代傳統的測溫技術，在國外許多發達國家十分受青睞。但是在我國水電站建設中，對水電站發電機機組運行狀態進行跟蹤，使用的主要方式仍然是在發電機定子內安裝傳統的熱電阻測溫系統。基于豐滿水電站重建工程，首次嘗試將光纖測溫系統引人到發電機定子、轉子內，在光纖信號傳輸方式和光纖測溫安裝技術控制上實現突破。通過對比分析傳統熱電阻測溫與光纖測溫系統這兩種測溫技術的.優缺點，提出了光纖測溫在水電站發電機定子和轉子內應用的技術方法，旨在為類似工程運行測溫系統提供技術支撐和經驗參考。
1.熱電阻溫度傳感器的測溫原理
　　熱電阻是應用廣泛的溫度傳感器,在化工工業生產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,并且呈一定函數關系特性，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電阻的熱效應特性而制成的,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體熱敏電阻兩類。
　　金屬熱電阻可以用下列函數表示其電阻值和溫度之間的關系:
Rt=Rt0[1+α(t-t0)](1)
　　式中:Rt為溫度t時的阻值,Ω;Rt0為溫度t0時對應電阻值(通常t0=0℃),Ω;α為溫度系數,(℃^-1)。
　　半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系的函數表達式為:
Rt=Ae^B/t(2)
　　式中,Rt為溫度為t時的阻值,Ω;A、B為常數,由材料的物理性質決定。
　　金屬熱電阻具有測溫范圍大、穩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用。相比之下,熱敏電阻在常溫下的電阻值通常在數千歐以上,其電阻值更.高,并且溫度系數更大，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
　　光纖傳感技術是伴隨光導纖維和光纖通訊技術發展的一種新的傳感技術問。按照工作原理,光纖溫度傳感器的類別分為功能型和傳導型兩種。功能型傳感器是以溫度檢測為依據，以光纖跟隨.溫度變化改變而設計的傳感器。傳導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.開復雜環境。
　　光纖測溫技術主要包括分布式光纖測溫技術和紅外測溫技術，其中紅外測溫技術只能測量電.器設備表面的溫度，而分布式熒光光纖測溫可以直接預埋在電器設備中實現內外監控。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。熒光光纖測溫的原理就是利用熒光材料會發光的特性,在光纖末端鍍上熒光物質,當熒光物質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。這種熒光物質受激輻射產生的能量按指數方式衰減，衰減的時間常數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線傳.輸信號的,絕緣性無法保證。并且在電阻信號的傳導中需要通過引線把由溫度變化轉換為電阻變化的一次元件傳遞到儀表上。然而安裝在生產現場的工業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果產生了較大的影響。金屬熱電阻的傳導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，從未發生因為測溫電阻損壞而導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纖維傳輸溫度信號,既是溫度感知原件,也是數據傳輸單元。光導纖維的絕緣性能優異,能夠隔離開關柜內的高壓，因此可以在開關柜內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,實現開關柜觸點運行溫度的在線監測。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致光纖沿面放電，從而降低光導纖維的絕緣性能。并且開關柜結構影響柜內布線,在柜內布線難度較大。
　　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、不僅能實現單面柜體配置,亦可構建溫度監測系統，施工和調試過程方便快捷。
3.3二者對比分析
　　傳統的金屬熱電阻測溫技術在水電站定子.上應用比較成熟，由于測溫電阻均布在定子鐵芯及繞組內，均布的測溫電阻可以將定子整體進行實時監控。并且材料及技術的更新,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，這種測溫技術可以很好地反應定子的運作情況,是水電行業中發電機內通用的測量手段。但是.通過對測溫電阻溫度值的比較，發現其測溫點相對較少,而且轉子磁極沒有溫度監控,無法實時監控磁極的運行狀態。與其相比，光纖溫度傳感相較于其他溫度傳感技術，具有耐腐蝕抗電磁干擾、低能耗、電絕緣、易布置等諸多優勢叫，看到了水電站發電機測溫精度提升的空間。基于光纖測溫在變壓器內使用的比較廣泛，技術相對成熟，綜合水電站運行時發電機工況環境,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這兩種檢測方式在水輪發電機定子和轉子運行監控中的對比分析見表1:
 
4光纖測溫在水輪發電機內的應用
4.1豐滿水電站重建工程發電機測溫系統
　　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,混流式立體水輪發電機，單機輸出15.75萬kW。水輪發電機的定子溫度監測安裝有兩套測溫系統，轉子磁極安裝有一套光纖測溫系統,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控部位相應增多,進而提高了安全性能,在異常情況時能及時發現。轉子的工作狀態用更為直觀的溫度顯示來監測磁極是否有異常,比如連接螺絲可能松動,松動的螺絲會導致極間連接銅排接觸面積變化，最終導致電流變化，從而引起磁極的溫度變化,引發報.警,提示運行人員。而且光纖溫度信號的傳輸更穩定,不受磁場、感應電流、環境溫度的影響,可以點對點地對測溫位置進行實時監控。
　　在數據傳輸速度及靈敏度方面，光纖測溫電阻有更大的優勢,能更加快速地反映出定子、轉子的實時溫度情況,一旦有意外發生,能用最快的速度將機組定子、轉子的實時溫度傳輸給電廠運行人員，為突發狀況的處理提供更多的時間,這一點極為重要。
4.2關鍵技術研究
4.2.1.光纖信號傳輸方式
　　在光纖測溫系統中轉子上的光纖信號傳輸分為兩種方式:一種是有線傳輸,磁極和電環中的光纖測溫信號及電源電量的傳輸是關鍵問題。為此,為光纖測溫系統增加了滑環和刷架，通過滑環和刷架上的碳刷將電源傳人轉子中心體內的控制箱中，再將信號通過它從轉子中心體內的控制箱中傳輸到機坑外光纖盤柜主機上。另-.種傳輸方式是無線傳輸，通過在轉子中心體外的轉子上端安裝一個無線發射器以及在上機架上安裝一個無線接收器來完成轉子內光纖測溫信號的傳輸。
　　轉子是轉動部分,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子中心體內的控制箱中。
4.2.2光纖測溫安裝
　　光纖測溫安裝時要避免使光纖產生有銳角的硬彎,對于62.5/125μm的傳感器和光纜來說,規定的最小轉彎半徑是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,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結論
　　機組在運行及停止運行期間會發生振動,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生較大影響。但經過實際對比發現,在外界同等強度的不利因素下,光纖測溫系統靈敏度及精確度均優于傳統熱電阻測溫系統，所以光纖測溫系統在信號傳輸的穩定性和實時性上占據優勢,但是安裝和成品保護方式卻大不相同。
　　光纖測溫優于金屬熱電阻,安全性更高,可以在異常情況剛有苗頭時及時發現,這有效提高了發電機運行的安全性能,所以水電站測溫系統應首選光纖測溫。但是為了彌補光纖易損壞的缺點,保證機組測溫監控萬無一失,水電站定、轉子溫度監測要以光纖測溫系統為主,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據的傳輸效率,又雙重保證了機組的溫度監控不輕易間斷。