CN112146781A - 基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置及方法，该系统包含光纤光栅温度传感器、传输光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪、计算机。光纤光栅温度传感器用来测量转子表面温度；传输光缆用来将相邻两只传感器进行串接；光无线传输装置用来实现转子和定子之间的信号传输；光纤光栅信号解调仪用来对光纤光栅温度传感器的波长信号进行采集和解析；计算机用来对转子温度信号进行分析、展示、存储和预警。从而实现对水轮机组转子温度的实时在线监测。

Description

基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及大型旋转机械转子信号检测领域，尤其涉及一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置及方法。

背景技术

水力发电在我国能源工业中所占的比重较大。水电机组单机容量越来越大，对电网稳定运行的影响也越来越大，机组稳定性和安全运行状态直接关系到水电站的安全，已成为大中型水电机组的重要性能指标。大量事实证明，计划体制维修成本昂贵，维护时间过长，自动化程度低，还不能完全满足设备日益增长的维护需求。实现“无人值守”是电站现代化管理的方向，如何保证水电机组在这种管理模式下安全、可靠的运行，是国内外近年来一直研究的技术问题。提高设备维护的针对性，及时了解设备的运行状态，提高设备利用率是解决这一问题的有效途径。转子绕组匝间短路是发电机组常见的故障，匝间短路会形成短路电流，导致局部过热,降低发电机的无功功率，引起机组振动加剧，影响电机寿命甚至烧毁电机,及时诊断出发电机转子绕组匝间短路是保障电机正常运行的重要手段。

目前，水轮发电机转子温度测量方法主要分接触式和非接触式两种方法。发明专利(CN103090989A)公开了一种接触式转子测温方法及装置，将多个测温器件分别安装在转子本体的不同测温位置上，采用电耦合或磁耦合的方式将信号发生器产生的高频信号耦合至测温回路，根据电压信号解析出各测温位置的温度值。该方法所采用的测温器件属于电类传感器，不适宜在高电压、强磁场环境下使用。实用新型专利(CN207994844U)公开了一种典型的非接触式转子测温方法及装置，通过转子端的无线发送单元与控制室内的无线接收单元进行数据传输。无线传输装置在强电磁场环境下易受电磁干扰，存在数据失真现象，不能精确反映水轮机组转子内部温度数据。发明专利(CN109253821A)公开了一种电机转子测温新方法，相较于传统技术而言，该方法能实现转子表面温度的直接测量与传输，然而该方法所涉及到的数据传输体采用光纤滑环，属于接触式传输方法，且安装时必须与电机同轴，稍有偏心，就会导致器件的损坏，适应性不强。

基于以上技术存在的不足，发明了一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量新方法及装置，该方法采用本质无源的光纤光栅传感器对转子部件表面温度进行直接测量，采用非接触式的光无线传输方法实现转子与定子之间的信号传输，整套测温装置不受高电压、强磁场干扰，能准确反映水轮机组安全运行情况。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置及方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置包括光纤光栅温度传感器、传感光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪和计算机，所述光纤光栅温度传感器的信号输出端通过所述传感光缆与所述光无线传输装置的信号输入端连接，所述光无线传输装置的信号输出端通过所述传感光缆与所述光纤光栅信号解调仪连接，所述光纤光栅信号解调仪的信号输出端通过网线与所述计算机连接。

进一步，所述光无线传输装置由转子端准直器固定件、小光斑光纤准直器、转子端准直器保护件、动态低损耗单模光纤、定子端金属套管、大光斑光纤准直器、定子端准直器保护件、静态低损耗单模光纤，所述小光斑光纤准直器固定设置于转子端准直器保护件内的前端，所述小光斑光纤准直器通过动态低损耗单模光纤与光纤光栅温度传感器连接，所述转子端准直器保护件固定设置于转子端准直器固定件上，所述转子端准直器固定件安装于水轮机组转子上，所述大光斑光纤准直器设置于定子端金属套管内，且所述大光斑光纤准直器与小光斑光纤准直器光源对接，所述定子端金属套管位于定子端准直器保护件内，所述大光斑光纤准直器通过静态低损耗单模光纤与光纤光栅信号解调仪连接。

优选的，所述光纤光栅温度传感器采用陶瓷材料进行封装。

本发明基于光无线传输的水轮机组转子温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备设备，准备用于温度监测的光纤光栅温度传感器、传输光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪、计算机；

S2、光纤光栅温度传感器的安装和固定，在水轮发电机组转子待测部件表面安装并固定光纤光栅温度传感器；

S3、将光纤光栅温度传感器通过传输光缆进行串接起来，并从转子内部敷设到水轮机组金属阀罩轴心位置处；

S4、将光无线传输装置得动态部分安装到金属阀罩轴心位置，将传输光缆连接到光无线传输装置得动态部分得连接处；

S5、将光无线传输装置静态部分安装到金属封板中心位置。金属封板属于水轮发电机组得静止部件，位于金属阀罩正上方。

S6、将光无线传输装置得静态部分连接到外部传输光缆，外部传输光缆敷设到水轮发电机组状态监测仪表柜；

S7、将光纤光栅解调仪和计算机安装在水轮发电机组状态监测仪表柜上，传输光缆连接到光纤光栅信号解调仪，光线光栅信号解调仪和计算机之间通过数据连接线进行连接。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置及方法，与现有技术相比，本发明包含光纤光栅温度传感器、传输光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪、计算机。采用光纤光栅温度传感器直接测量转子表面温度，相邻两只传感器之间采用特氟龙传输光缆进行串接，实现分布式测量；通过光无线传输装置实现转子和定子之间的非接触式信号传输；采用高性能的光纤光栅信号解调仪对光纤光栅温度传感器的波长信号进行采集和解调，通过计算机实现对转子温度信号的分析、展示、存储和预警。本发明为水轮机组转子温度测量提供了一种新的思路，巧妙结合光纤无线传输技术解决了旋转装置动态信号传输困难的问题，具有抗电磁干扰、本质安全、耐腐蚀、耐高温、灵敏度高、可靠性好、响应速度快、测量精度高等特点，特别适合在强电场、强磁场环境下使用。系统安装方便、快捷，易于维护，造价低，可移植性强，适合绝大多数旋转机械转动部件温度测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明光无线传输装置的结构示意图；

图3是本发明的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置包括光纤光栅温度传感器1、传感光缆2、光无线传输装置3、光纤光栅信号解调仪4和计算机5，所述光纤光栅温度传感器的信号输出端通过所述传感光缆与所述光无线传输装置的信号输入端连接，所述光无线传输装置的信号输出端通过所述传感光缆与所述光纤光栅信号解调仪连接，所述光纤光栅信号解调仪的信号输出端通过网线6与所述计算机连接。

光纤光栅温度传感器测温原理：

光纤光栅传感器是在光纤不同位置刻写不同间距特性的光栅区，利用光纤材料自然的光敏特性，沿纤芯轴向形成的一种折射率周期性分布的光栅区。这种特殊结构周期性分布的光栅区能改变某一特定波长的光的传输路径，使该波长的光传播方向发生改变，相当于在光纤中形成一定带宽的滤波器或反射镜。其中反射光的波长由纤芯折射率和光栅周期决定：

λ＝2nΛ

上式中λ为反射波长，n是纤芯折射率，Λ是光栅周期。

若纤芯折射率或光栅周期在外界环境作用下发生改变，就会导致光纤光栅的反射波长变化：

Δλ＝2Λ·Δn+2n·ΔΛ

根据不同的运用场合，光纤光栅传感器具有不同的封装形式，陶瓷封装适用于高温、绝缘场合。

如图2所示：所述光无线传输装置由转子端准直器固定件31、小光斑光纤准直器32、转子端准直器保护件33、动态低损耗单模光纤34、定子端金属套管35、大光斑光纤准直器36、定子端准直器保护件37、静态低损耗单模光纤38，所述小光斑光纤准直器固定设置于转子端准直器保护件内的前端，所述小光斑光纤准直器通过动态低损耗单模光纤与光纤光栅温度传感器连接，所述转子端准直器保护件固定设置于转子端准直器固定件上，所述转子端准直器固定件安装于水轮机组转子上，所述大光斑光纤准直器设置于定子端金属套管内，且所述大光斑光纤准直器与小光斑光纤准直器光源对接，所述定子端金属套管位于定子端准直器保护件内，所述大光斑光纤准直器通过静态低损耗单模光纤与光纤光栅信号解调仪连接。

优选的，所述光纤光栅温度传感器采用陶瓷材料进行封装。

如图3所示：本发明基于光无线传输的水轮机组转子温度测量方法，包括以下步骤：

S1、准备设备，准备用于温度监测的光纤光栅温度传感器、传输光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪、计算机；

S2、光纤光栅温度传感器的安装和固定，在水轮发电机组转子待测部件7表面安装并固定光纤光栅温度传感器1；

S3、将光纤光栅温度传感器通过传感光缆2进行串接起来，并从转子内部敷设到水轮机组金属阀罩8轴心位置处；

S4、将光无线传输装置的动态部分301安装到金属阀罩8轴心位置，将传感光缆2连接到光无线传输装置的动态部分301的连接处；

S5、将光无线传输装置静态部分302安装到金属封板9中心位置。金属封板9属于水轮发电机组的静止部件，位于金属阀罩8正上方。

S6、将光无线传输装置的静态302部分连接到外部的传感光缆2，外部传感光缆2敷设到水轮发电机组状态监测仪表柜；

S7、将光纤光栅解调仪和计算机安装在水轮发电机组状态监测仪表柜上，传输光缆连接到光纤光栅信号解调仪，光线光栅信号解调仪和计算机之间通过数据连接线进行连接。

光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅温度传感器采用陶瓷材料进行封装，具有绝缘、导热及耐腐蚀等特点；传感器内部的光纤光栅采用两端点胶，中间悬空的免应力设计方法，避免传感器本体因受外界应力影响导致测量误差；传感器尺寸分别为：28mm x 5mm x3mm(长x宽x高),特别适合转子内部小空间温度测量；采用导热硅脂材料将温度传感器固定在转子待测部件表面，具有本质绝缘、导热快、粘接牢的特点。

传输光缆，所述传输光缆采用特氟龙材料进行封装成缆，具有绝缘、耐高温、抗张拉等特点；该传输光缆属于紧套光缆，外表面的特氟龙封装材料与内部单模光纤紧密嵌套，具有极高的抗压、抗拉强度；该传输光缆外径为3mm，耐高温可以达到150℃。

光无线传输装置，所述光无线传输装置分静态和动态两个部分，其中动态部分位于金属阀罩轴心位置，主要由转子端准直器固定件、小光斑光纤准直器、转子端准直器保护件、动态低损耗单模光纤组成；静态部分位于金属封板中心位置，主要由微调架、定子金属套管、大光斑光纤准直器、定子端准直器保护件、静态低损耗单模光纤组成。金属阀罩随着水轮机组转子同步旋转，且同轴心；金属封板处于静止状态，位于阀罩正上方，起防尘、防噪的作用。安装光无线传输装置时，需要保证大、小光斑光纤准直器的轴心重合，静态部分的微调架用来调整光路，使得两个准直器的轴心尽可能重合，且光纤端面与微型透镜焦点重合。

光纤光栅信号解调仪，所述光纤光栅信号解调仪为8通道光性能监测模块，专门用于分布式FBG温度传感系统中对温度、应力等物理参量进行监测；采用专利的PIC光子集成可调谐光源技术，波长范围从1529nm到1569nm；8个InGaAs光电探测器可同时接收8路传感光纤，每根光纤上可以串接1到20个光纤光栅传感器；具有高可靠、高精度特点，可在振动环境下使用，绝对波长测量精度可达到10pm，采样频率为1Hz；用于对现场所有光纤光栅温度传感器的波长信号进行采集和解调，并通过网口以TCP/IP协议方式与计算机进行通信。

计算机，所述计算机为普通工业计算机，主要用于对来自光纤光栅信号解调仪的输出信号进行分析、处理、展示及预警。

在上述设计方案中，小光斑光纤准直器的性能参数为：单模GRIN、1550nm、FC/APC接头、光斑直径为0.5mm、工作距离为15mm；大光斑光纤准直器的性能参数为：单模GRIN、1550nm、FC/APC接头、光斑直径为5.4mm、工作距离4.73mm。

在上述设计方案中，转子端准直器固定件用来固定小光斑光纤准直器，转子端准直器保护件用来保护小光斑光纤准直器，动态低损耗单模光纤与小光斑光纤准直器一端进行连接；定子端金属套管用来封装大光斑光纤准直器，定子端准直器保护件用来保护大光斑光纤准直器，静态低损耗单模光纤与大光斑光纤准直器一端进行连接。

在上述设计方案中，光无线传输装置时初始安装时，尽量保证大、小光斑光纤准直器的轴心重合，通过光学仪器来进行对焦，倘若有微小误差，可以通过调节静态部分的微调架，确保准直器的轴心重合。然后在光学器件与机械部分的活动连接部位进行点胶固化，避免水轮机组长期运行导致相关部件松脱，导致光传输损耗过大。

在上述设计方案中，水轮机组正常运行时，难免会产生垂直、水平方向的振动，其振动幅值在200um范围以内。静态部分设计大光斑光纤准直器的目的就是为了防止水轮机组振动带来的轴心偏移导致光传输线路发生改变；从直径为0.5mm的光斑到直径为5.4mm的光斑，其容错能力提高了10倍，当两只准直器之间的间距为4mm时，对于微米级的振动偏差，动、静态部位的两只光纤准直器完全可以实现光信号传输。

在上述设计方案中，当转子旋转时，通过动、静态两端的光纤准直器件进行光的无线传输，从而实现转子与定子之间的信号传输。采用非接触式传输原理将动态部分的光信号耦合后传输到静态部分的光接收单元，从而巧妙地解决了转子信号传输困难的问题。

在上述设计方案中，光纤光栅信号解调仪采用波长解调原理，与激光光源的光强无关，因而在水轮机组运行过程中，即使动、静态两端的光纤准直器件轴心并不完全重复，其带来的光损耗也并不影响系统信号解调和数据获取

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置，其特征在于：包括光纤光栅温度传感器、传感光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪和计算机，所述光纤光栅温度传感器的信号输出端通过所述传感光缆与所述光无线传输装置的信号输入端连接，所述光无线传输装置的信号输出端通过所述传感光缆与所述光纤光栅信号解调仪连接，所述光纤光栅信号解调仪的信号输出端通过网线与所述计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置，其特征在于：所述光无线传输装置由转子端准直器固定件、小光斑光纤准直器、转子端准直器保护件、动态低损耗单模光纤、定子端金属套管、大光斑光纤准直器、定子端准直器保护件、静态低损耗单模光纤，所述小光斑光纤准直器固定设置于转子端准直器保护件内的前端，所述小光斑光纤准直器通过动态低损耗单模光纤与光纤光栅温度传感器连接，所述转子端准直器保护件固定设置于转子端准直器固定件上，所述转子端准直器固定件安装于水轮机组转子上，所述大光斑光纤准直器设置于定子端金属套管内，且所述大光斑光纤准直器与小光斑光纤准直器光源对接，所述定子端金属套管位于定子端准直器保护件内，所述大光斑光纤准直器通过静态低损耗单模光纤与光纤光栅信号解调仪连接。

3.根据权利要求1所述的基于光无线传输的水轮机组转子温度测量装置，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器采用陶瓷材料进行封装。

4.一种基于光无线传输的水轮机组转子温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备设备，准备用于温度监测的光纤光栅温度传感器、传感光缆、光无线传输装置、光纤光栅信号解调仪、计算机；

S2、光纤光栅温度传感器的安装和固定，在水轮发电机组转子待测部件表面安装并固定光纤光栅温度传感器；

S3、将光纤光栅温度传感器通过传感光缆进行串接起来，并从转子内部敷设到水轮机组金属阀罩轴心位置处；

S4、将光无线传输装置的动态部分安装到金属阀罩轴心位置，将传感光缆连接到光无线传输装置的动态部分的连接处；

S5、将光无线传输装置静态部分安装到金属封板中心位置，金属封板属于水轮发电机组得静止部件，位于金属阀罩正上方。

S6、将光无线传输装置的静态部分连接到外部传感光缆，外部传感光缆敷设到水轮发电机组状态监测仪表柜；

S7、将光纤光栅解调仪和计算机安装在水轮发电机组状态监测仪表柜上，传输光缆连接到光纤光栅信号解调仪，光线光栅信号解调仪和计算机之间通过数据连接线进行连接。

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