一种发电机转子温度测量系统

一种发电机转子温度测量系统

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摘 要：介绍了一种基于红外温度检测技术的发电机转子温度测量系统，很好的解决了电机转子温度检测中旋转状态下信号的传输问题。提出了采用无线传感器网络进行信号传递的方案。

关键词：温度检测，转子，红外

A Generator Rotor Temperature Measuring System

Abstract:A rotor temperature measurement system of generator based on infrared temperature detection technology is introduced, Which solves the problem of signal transmission in rotating state of motor rotor temperature detection.And a wireless sensor network for signal transmission is proposed.

Key Words: Temperature Measuring, Rotor

0 引言

大中型发电机温升是一个突出的问题，温升过高会严重威胁绕组的绝缘以及电机的安全，在电厂中，发电机是极其重要的设备，一旦出问题将会影响电力系统的正常运行。所以需要对发电机进行温度检测。对于转子的温度检测，由于其处于高速旋转状态，设计温度传感器需要考虑转速、干扰、强磁场、振动、离心力、信号传递以及检测装置的机械强

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度等一些不同于常规检测方法的问题，因此存在比较大的困难。

传统的测温方法一般采用热电阻，热电偶，这些传感器需要与被测对象紧密接触，显然不适合高速旋转的转子测温。改进式的方法可以在定子上装设电刷与转子接触，这种方法不可避免会引入接触电阻的影响，误差较大。综合考虑各种因素，决定采用红外温度检测的方法设计转子温度检测系统。

1.红外温度传感器原理

红外辐射又称红外线，是指辐射波长大致为0.75~1000mm频谱范围内的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射，当物体温度处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的热运动就会向外发射出红外线。物体的温度越高，辐射出来的红外线就会越多，红外辐射的能量也就越强。红外温度计是基于物体红外辐射的能量大小及其波长的分布，与物体表面温度的对应关系，并通过对物体自身辐射的红外能量的测量，来准确地测定物体的表面温度。其基本结构如下图：

图1-1红外温度传感器原理图

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几个相关的物理定律：

（1）辐射的光谱分布规律——普朗克辐射定律：

一个绝对温度为T（K）的黑体，单位面积表面在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）Mλ，T与波长λ、温度T满足下列关系：

M,TC1(eC2/T1) （1-1））

式中C1、C2分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有单位计算红外辐射的基础。

（2）Stefan-Boltzmann定律：

物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。其数学表示如下：

WT4 （1-2）

其中，=5.67×108w/m2·K4，为Stefan—Boltzmann常数，为材料表面发射率。此定律表明：凡是温度高于开氏零度的物体都会自发的向外发射红外热辐射，同时黑体单位面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。因此，只要能够探测到黑体单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定该黑体的温度。

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（3）辐射空间分布规律——朗伯余弦定律：

所谓的郎波余弦定律，就是黑体在任何方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比：

IC0cos （1-3）

此定律表明：黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cos倍。

（4）基尔霍夫辐射定律与发射定律：

实验证明，物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与该物体的材料性质及表面状态等因素有关。我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。而这个辐射系数

就是常说的发射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0和小于1的数值区间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。

因此，利用在同温度下实际物体与黑体的辐射度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫全发射率，用ε表示。数学表示为

M/M0 （1-4）

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式中：M为实际物体的辐射度，M0为相同条件下黑体的辐射度。基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出一个好的吸收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达：

 （1-5）

由此可看出，任何处于热平衡下的物体吸收率等于发射率，即物体的吸收本领越大发射本领也就越大。

为了减少测量物体的温度误差，去除环境温度因素的影响，所以修正的红外辐射定律如下：

E(T04TA4) （1-6）

式中：E为辐射出射度数，单位W/m；为斯蒂芬—波尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；为物体的辐射率；T0为物体的温度，单位K；TA为物体周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。

利用这个原理我们可以制成红外测温仪。这种测量技术不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测温。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0~100℃）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和不同测量对象的测温仪器，其具体的设计也不同。根据式（1-6）的原理，仪器所测得的红外辐射为：

EA12(T04TA4) （2-7）

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式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；1为被测对象的辐射率；2为红外温度计的辐射率；T0为被测对象的温度（K）；TA为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。所有的物体，包括人体各部位的表面，其值都是某个大于0而且小于1的数值。

2.红外温度检测系统的构成

为了便于检测高速旋转的电机转子温度，可以在定子上安装红外温度传感器，调整镜头使其对准转子，传感器将采集到温度信号转换为电信号。

考虑到电厂中传感器安装位置与监控调度室距离较远，为了能够在监控室中实时查看检测数据，需要将传感器采集到的数据传输回监控室。传统的解决方案采用物理线缆进行信号的传递，安装复杂，灵活性差。随着无线网络的快速发展，用无线方式替代传统有线传输方式成为可能，因此可以采用无线传感器网络的方式实现数据回传。红外温度传感器作为无线传感网的感知节点，负责监测转子温度信号的采集，一般是一个智能化微型的嵌入式系统。它可以将温度信号转换成电信号通过无线网络发送到实时监控平台。

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图2-1温度检测系统结构图

3.结论

本文提出的这种发电机转子温度检测的方法很好的解决了电机转子高速旋转过程中实时在线温度检测的难题，并且提出组建发电厂无线传感器网络对各种设备的状态参数监测，这种方法摒弃了传统有线电缆信号传输过程易受干扰，灵活性差等问题，使整个系统更加智能化。同时，在具体的传感器节点软硬件系统的设计中应注意考虑发电机内部实际物理环境对设备可靠性的影响，加入一些抗干扰措施。

参考文献：

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