热电阻测温与光纤测温的比较分析

[摘要]通过阐述热电阻温度传感器的测温原理及荧光光纤测温原理，比较两种测温方式的特点，采用实证研究法分析了二者在水轮发电机定子和转子运行监控中的优缺点，进一步提出了光纤测温在水电站发电机定子和转子内应用的技术方法。结果表明光纤测温有效提高了发电机运行的安全性能，为类似工程运行状态掌控提供了一定的技术支撑和实践经验。
0引言
　　目前光纤测温在温度检测领域的技术已十分先进,因其具有不易被电磁干扰的特性,且操作简便、传输性强，与计算机等高科技产品匹配性能好，广泛应用于建筑业、航天航空业、海洋开发等众多领域。由于该项技术正逐渐取代传统的测温技术，在国外许多发达国家十分受青睐。但是在我国水电站建设中，对水电站发电机机组运行状态进行跟踪，使用的主要方式仍然是在发电机定子内安装传统的热电阻测温系统。基于丰满水电站重建工程，首次尝试将光纤测温系统引人到发电机定子、转子内，在光纤信号传输方式和光纤测温安装技术控制上实现突破。通过对比分析传统热电阻测温与光纤测温系统这两种测温技术的.优缺点，提出了光纤测温在水电站发电机定子和转子内应用的技术方法，旨在为类似工程运行测温系统提供技术支撑和经验参考。
1.热电阻温度传感器的测温原理
　　热电阻是应用广泛的温度传感器,在化工工业生产温度测量与自动化控制中具有重要的作用。由于电阻体的阻值是随着温度变化的,并且呈一定函数关系特性，只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。所以热电阻温度传感器就是根据电阻的热效应特性而制成的,通.过感温热电阻的阻值变化进行测温，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
　　金属热电阻可以用下列函数表示其电阻值和温度之间的关系:
Rt=Rt0[1+α(t-t0)](1)
　　式中:Rt为温度t时的阻值,Ω;Rt0为温度t0时对应电阻值(通常t0=0℃),Ω;α为温度系数,(℃^-1)。
　　半导体热敏电阻的阻值和温度关系的函数表达式为:
Rt=Ae^B/t(2)
　　式中,Rt为温度为t时的阻值,Ω;A、B为常数,由材料的物理性质决定。
　　金属热电阻具有测温范围大、稳定性好和耐氧化等特点,在温度测量中占有重要的地位，因而在工程控制中得到广泛的应用。相比之下,热敏电阻在常温下的电阻值通常在数千欧以上,其电阻值更.高,并且温度系数更大，测温范围只有-50℃--300℃左右，而且非线性严重,互换性较差。
2光纤测温原理
　　光纤传感技术是伴随光导纤维和光纤通讯技术发展的一种新的传感技术问。按照工作原理,光纤温度传感器的类别分为功能型和传导型两种。功能型传感器是以温度检测为依据，以光纤跟随.温度变化改变而设计的传感器。传导型温度传感器则是以光作为信号指示，在温度检测时可以避.开复杂环境。
　　光纤测温技术主要包括分布式光纤测温技术和红外测温技术，其中红外测温技术只能测量电.器设备表面的温度，而分布式荧光光纤测温可以直接预埋在电器设备中实现内外监控。因此,荧光光纤测温具有较强的便捷性，成为了当前比较热门的测温技术。荧光光纤测温的原理就是利用荧光材料会发光的特性,在光纤末端镀上荧光物质,当荧光物质被紫外线或红外线等--定波长的光激励后而辐射出荧光能量。这种荧光物质受激辐射产生的能量按指数方式衰减，衰减的时间常数随着温度的变化而改变。测量点的温度就可以通过测量衰减时间来得出。
3热电阻测温与光纤测温对比分析
3.1热电阻测温方式
　　金属热电阻温度传感器测温是用金属导线传.输信号的,绝缘性无法保证。并且在电阻信号的传导中需要通过引线把由温度变化转换为电阻变化的一次元件传递到仪表上。然而安装在生产现场的工业用热电阻与控制室之间有一定的距离,热电阻引线加长对测量结果产生了较大的影响。金属热电阻的传导途径为热量传至金属热电阻外壳,再传人外壳下的测温元件,然后促使该测温元件再进行阻值的变化。由于金属测温电阻技术很成熟,所有水电站都是用该种测温电阻。丰满水电站三期建设中两台机组全部采用的是金属测温电阻,均匀分布在定子铁芯和绕组层间。实践证明:丰满水电站三期两台机组自1998年发电以来,运行了23年之久,其定子铁芯及定子绕组间安装的金属测温电阻一直正常工作，从未发生因为测温电阻损坏而导致停机更换测温电阻的事件,由此可见金属测温电阻的可靠性能较好。
3.2光纤测温方式
　　光纤温度传感器依靠光导纤维传输温度信号,既是温度感知原件,也是数据传输单元。光导纤维的绝缘性能优异,能够隔离开关柜内的高压，因此可以在开关柜内的高压触点上直接安装光纤温度传感器，做到准确测量高压触点的运行温度,实现开关柜触点运行温度的在线监测。然而光纤具有易折、易断、不耐高温等特性,当光纤积累灰尘后会导致光纤沿面放电，从而降低光导纤维的绝缘性能。并且开关柜结构影响柜内布线,在柜内布线难度较大。
　　此外,荧光光纤测温为光纤单点测温。传感器尺寸小、长期可靠性高、价格适中、不仅能实现单面柜体配置,亦可构建温度监测系统，施工和调试过程方便快捷。
3.3二者对比分析
　　传统的金属热电阻测温技术在水电站定子.上应用比较成熟，由于测温电阻均布在定子铁芯及绕组内，均布的测温电阻可以将定子整体进行实时监控。并且材料及技术的更新,可以将强磁场、机组振动等影响热电阻测温准确性的因素降到最低，这种测温技术可以很好地反应定子的运作情况,是水电行业中发电机内通用的测量手段。但是.通过对测温电阻温度值的比较，发现其测温点相对较少,而且转子磁极没有温度监控,无法实时监控磁极的运行状态。与其相比，光纤温度传感相较于其他温度传感技术，具有耐腐蚀抗电磁干扰、低能耗、电绝缘、易布置等诸多优势叫，看到了水电站发电机测温精度提升的空间。基于光纤测温在变压器内使用的比较广泛，技术相对成熟，综合水电站运行时发电机工况环境,适合采用荧光光纤测温电阻。
　　热电阻测温与荧光光纤测温系统这两种检测方式在水轮发电机定子和转子运行监控中的对比分析见表1:
 
4光纤测温在水轮发电机内的应用
4.1丰满水电站重建工程发电机测温系统
　　丰满水电站重建工程单机容量20万kW,6台机组,总装机120万kW,混流式立体水轮发电机，单机输出15.75万kW。水轮发电机的定子温度监测安装有两套测温系统，转子磁极安装有一套光纤测温系统,定子的测温点多,并且磁极上也有测温装置。测温取点增多对定子的监控部位相应增多,进而提高了安全性能,在异常情况时能及时发现。转子的工作状态用更为直观的温度显示来监测磁极是否有异常,比如连接螺丝可能松动,松动的螺丝会导致极间连接铜排接触面积变化，最终导致电流变化，从而引起磁极的温度变化,引发报.警,提示运行人员。而且光纤温度信号的传输更稳定,不受磁场、感应电流、环境温度的影响,可以点对点地对测温位置进行实时监控。
　　在数据传输速度及灵敏度方面，光纤测温电阻有更大的优势,能更加快速地反映出定子、转子的实时温度情况,一旦有意外发生,能用最快的速度将机组定子、转子的实时温度传输给电厂运行人员，为突发状况的处理提供更多的时间,这一点极为重要。
4.2关键技术研究
4.2.1.光纤信号传输方式
　　在光纤测温系统中转子上的光纤信号传输分为两种方式:一种是有线传输,磁极和电环中的光纤测温信号及电源电量的传输是关键问题。为此,为光纤测温系统增加了滑环和刷架，通过滑环和刷架上的碳刷将电源传人转子中心体内的控制箱中，再将信号通过它从转子中心体内的控制箱中传输到机坑外光纤盘柜主机上。另-.种传输方式是无线传输，通过在转子中心体外的转子上端安装一个无线发射器以及在上机架上安装一个无线接收器来完成转子内光纤测温信号的传输。
　　转子是转动部分,固定走线成为重点。通过线夹，不锈钢管和开口式高温软管将光纤测温线引至转子中心体内的控制箱中。
4.2.2光纤测温安装
　　光纤测温安装时要避免使光纤产生有锐角的硬弯,对于62.5/125μm的传感器和光缆来说,规定的最小转弯半径是18mm。同时避免使光缆承受张力或扭矩，在安放传感器时也要避免夹伤或使其承受剪力,不要用拉扯的方式去解除光缆的缠结,并且避免在硬的表面摔落或划伤光纤连接器。要保持光纤接头表面的绝对清洁,在每次连接前后，要用所提供的光纤清洁器充分清理所有的连接，内部光纤在安装使用过程中一定要注意清洁,避免让光纤接触灰尘和污渍等。
　　此外，由于在实际施工过程当中各个专业施工材料繁杂,人员行走、搬运材料及施工过程中极容易损伤光纤线，为此需要制作专门的成品保护装置(如可以将光纤线放进去的保护盒),该保护装置必须满足在使用期间无法移动，能将光纤所有外露线均保护起来,还要有足够的强度。
5结论
　　机组在运行及停止运行期间会发生振动,强磁场、温湿度差别会比较大,这些因素对光纤测温的精度和灵敏度产生较大影响。但经过实际对比发现,在外界同等强度的不利因素下,光纤测温系统灵敏度及精确度均优于传统热电阻测温系统，所以光纤测温系统在信号传输的稳定性和实时性上占据优势,但是安装和成品保护方式却大不相同。
　　光纤测温优于金属热电阻,安全性更高,可以在异常情况刚有苗头时及时发现,这有效提高了发电机运行的安全性能,所以水电站测温系统应首选光纤测温。但是为了弥补光纤易损坏的缺点,保证机组测温监控万无一失,水电站定、转子温度监测要以光纤测温系统为主,金属热电阻为辅的模式进行布置，这样既保证了机组实时数据的传输效率,又双重保证了机组的温度监控不轻易间断。