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【摘 要】发电机运行时，定子绕组冷却水流量下降和线棒温升时有发生。本文介绍了超声波法测量原理及其在检测中的技术要求，并对采用超声波法与红外热成像法联合检测发电机定子冷却水流量下降和线棒温升问题的方法进行讨论。
【关键词】超声波；流量；检测；红外；热成像
引言
国标规定，检测发电机定子绕组冷却水流量的主要方法有量杯法和超声检测法。随着科技发展和高效、便捷理念的普及，超声检测法在发电机定子绕组冷却水流量检测中的应用越来越广。超声检测法无需拆卸被测管道，不接触被测液体，只要定子绕组水冷系统达到发电机正常运行时的标准压力和流量即可测试，并反映水冷系统的运行状况，不影响检修工期。但是现场检测中定子线棒弯曲、水流量不稳定等问题时有发生，为了更准确、可靠地检测定子线棒运行状况，本文对采用超声波法与红外热成像法联合检测发电机定子冷却水流量下降和线棒温升问题的方法进行讨论。
1 超声检测原理
根据对信号检测的原理超声流量可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。国内产品技术主要采用时差法。时差法是利用声波在流体中顺、逆流方向传播时间之差与被测流体流速之关系求取流速。以该方法研制的流量计适合测量较纯净的介质。
图1 时差法超声流量检测装置测量原理示意图
设，则：
（1）
从式（1）中可以看出，传感器安装完毕后，为一常数，流体流速正比于超声波在流体中传播时间之差。准确的测量，即可测量流体的流速。
如图1，超声波逆流从传感器1传送到传感器2的传播速度C，被流体流速v所减慢为：
（2）
反之，超声波顺流从传感器2传送到传感器1的传播速度则被流体流速加快为：
（3）
式（2）减式（3），并整理，得出仪器所测流速为：
（4）
式中，L——超声波在两传感器间传播路径的长度，单位m。
x——传播路径的轴向分量，单位m。
t12、t21——从传感器1到传感器2和从传感器2到传感器1的传播时间，单位s。
C——超声波在静止流体中的传播速度，单位m/s。
v——流体通过传感器1、2之间声道上平均流速，单位m/s。
2 安装方式
超声流量检测装置在常规使用中有两种安装方式，一种是反射式安装，一种是直射式安装。结合现场工况，采用不同的安装方式。
2.1反射式安装（Reflect）
反射式即传感器在安装时，一组传感器安装在管道的同侧，超声波借助对面的管道壁反射。仪器在分析管道数据和流体数据输入后会自行推荐安装方式。在条件允许的情况下，推荐使用反射式安装。
由于反射式安装传感器最简单，而且还可以克服不好的流态影响，支持自动零点功能，不需要停止流体，就能实现自动零点，如图2所示：
图2 反射式安装
反射式安装增加一倍声程，可提高测量准确度。此外，反射式安装的两个传感器装在一个夹具的滑轨上，且同时安装在管道中心线上，能尽量保证声程在管径平面上。
2.2直射式安装（Direct）
直射式安装时，一组传感器安装在管道的对侧，这种安装方式超声波声束的声程最短，可以提高信号强度，当管道和液体的声导性能差时，要考虑使用直射式安装。如图3所示：
图3 直射式安装
3 技术要求
与量杯法相比较，超声流量检测更便捷、准确，但在使用过程中，也因其技术特点存在一定的技术要求。
（1）被测定子线棒以励侧为主，在条件无法满足时测量汽侧。
（2）测试点两侧应保留相应的直管段，测试点上游直管段需大于10D（D为被测管道直径），下游需大于5D，同时要避开泵、阀和节流孔。现场条件往往不能满足测试要求的直管距离，应多次测量，取相对稳定的平均值。
（3）测试以冷却水系统正常运行状态的压力、流量为准，且水质合格、不含有大量气泡。
（4）定子绕组冷却水线棒直径一般较小，传感器宜采用反射式安装。
（5）测试时确保附近无强电磁干扰和振动，如无线电、电焊、大流量的汽车或电车等。
（6）由于声波的传播速度与流体的温度有关，因此需精确测量流体流速时应准确设置流体温度参数。但在不同温度下，水中的声速变化不是很大，因此仅检测发电机定子绕组水管水流量分配情况时，若流体温度变化不是很大，则可仅设置初始温度。
（7）参数需符合实际情况，否则易导致测量不准。以PortFlow X时差法超声波流量计为例，管道内径参数偏差1%，约产生3%的测量误差。
4 红外热成像法的应用
红外热成像是运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供视觉分辨的图像和图形，并可进一步计算出温度值。
红外热成像技术已被证实是用于电气领域的一种行之有效的检测方法。它使我们能“看到”和测量到许多电气系统中部件缺陷、正常磨损、化学污染、腐蚀、疲劳以及装配错误引起的温度变化。
图4 发电机定子线棒整体图示
通过在运电网设备检测经验以及利用超声波法检测定子线棒水流量遇到的具体问题，试验人员认为采用超声波法与红外热成像法联合检测也适用于对运行中发電机定子冷却水流量下降和线棒温升问题的检测。当某一根或某几根定子线棒的温度出现较大变化时，根据红外检测“由远到近、由整体到局部”的思路，可以准确、清晰地在图像中区分出正常线棒和温升异常的线棒。然后，采用超声波法对温升异常的线棒进行检测、核实，并测量出真实的流量值。通常一台发电机的定子有几十根线棒，如图4所示，如果单独使用超声波法检测，假设检测一根线棒所用的时间为3分钟，在检测顺利的情况下，整台机检测下来起码需要2小时，采用超声波法与红外热成像法联合检测的方法，可以先从整体上查看所有线棒的热点分布情况，然后重点检测热点突出的线棒，使流量检测具有针对性，同时也提高了检测效率。
5结论
造成发电机定子冷却水管堵塞的原因通常为：停机期间线棒腐蚀，造成氧化膜损坏；内冷水pH值以及电导率偏低，引起铜的电化学腐蚀，析出结垢。
针对常见的堵塞故障，超声流量法为现阶段检测定子冷却水流量提供了操作便捷、测量准确的试验方法，但是线棒的弯曲和水流的不稳定会影响测试结果，而超声波法与红外热成像法联合检测的提出，加强了检测的针对性，提高了检测的准确性和效率。
参考文献：
[1]闫寒冬，徐玉海，陈瑞国.300MW发电机定子线棒故障原因，东北电力技术，2009.12.
[2]纪强，石宗国，石立斌.600MW发电机定子线棒温度高的原因分析，华电技术，2010.3.
[3]王声学，邹晓，张煦等.超声波流量法在水内冷发电机定子绕组水管水流量检测中的应用，电工技术，2013.6.
[4]吴海，涛欧阳全安.汽轮发电机定子线棒的流量检测与分析，东方电机，1998.1.
[5]张剑，唐芳轩.秦山第二核电厂发电机定子冷却水流量降低问题研究，电气应用，2013.6.
【关键词】超声波；流量；检测；红外；热成像
引言
国标规定，检测发电机定子绕组冷却水流量的主要方法有量杯法和超声检测法。随着科技发展和高效、便捷理念的普及，超声检测法在发电机定子绕组冷却水流量检测中的应用越来越广。超声检测法无需拆卸被测管道，不接触被测液体，只要定子绕组水冷系统达到发电机正常运行时的标准压力和流量即可测试，并反映水冷系统的运行状况，不影响检修工期。但是现场检测中定子线棒弯曲、水流量不稳定等问题时有发生，为了更准确、可靠地检测定子线棒运行状况，本文对采用超声波法与红外热成像法联合检测发电机定子冷却水流量下降和线棒温升问题的方法进行讨论。
1 超声检测原理
根据对信号检测的原理超声流量可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。国内产品技术主要采用时差法。时差法是利用声波在流体中顺、逆流方向传播时间之差与被测流体流速之关系求取流速。以该方法研制的流量计适合测量较纯净的介质。
图1 时差法超声流量检测装置测量原理示意图
设，则：
（1）
从式（1）中可以看出，传感器安装完毕后，为一常数，流体流速正比于超声波在流体中传播时间之差。准确的测量，即可测量流体的流速。
如图1，超声波逆流从传感器1传送到传感器2的传播速度C，被流体流速v所减慢为：
（2）
反之，超声波顺流从传感器2传送到传感器1的传播速度则被流体流速加快为：
（3）
式（2）减式（3），并整理，得出仪器所测流速为：
（4）
式中，L——超声波在两传感器间传播路径的长度，单位m。
x——传播路径的轴向分量，单位m。
t12、t21——从传感器1到传感器2和从传感器2到传感器1的传播时间，单位s。
C——超声波在静止流体中的传播速度，单位m/s。
v——流体通过传感器1、2之间声道上平均流速，单位m/s。
2 安装方式
超声流量检测装置在常规使用中有两种安装方式，一种是反射式安装，一种是直射式安装。结合现场工况，采用不同的安装方式。
2.1反射式安装（Reflect）
反射式即传感器在安装时，一组传感器安装在管道的同侧，超声波借助对面的管道壁反射。仪器在分析管道数据和流体数据输入后会自行推荐安装方式。在条件允许的情况下，推荐使用反射式安装。
由于反射式安装传感器最简单，而且还可以克服不好的流态影响，支持自动零点功能，不需要停止流体，就能实现自动零点，如图2所示：
图2 反射式安装
反射式安装增加一倍声程，可提高测量准确度。此外，反射式安装的两个传感器装在一个夹具的滑轨上，且同时安装在管道中心线上，能尽量保证声程在管径平面上。
2.2直射式安装（Direct）
直射式安装时，一组传感器安装在管道的对侧，这种安装方式超声波声束的声程最短，可以提高信号强度，当管道和液体的声导性能差时，要考虑使用直射式安装。如图3所示：
图3 直射式安装
3 技术要求
与量杯法相比较，超声流量检测更便捷、准确，但在使用过程中，也因其技术特点存在一定的技术要求。
（1）被测定子线棒以励侧为主，在条件无法满足时测量汽侧。
（2）测试点两侧应保留相应的直管段，测试点上游直管段需大于10D（D为被测管道直径），下游需大于5D，同时要避开泵、阀和节流孔。现场条件往往不能满足测试要求的直管距离，应多次测量，取相对稳定的平均值。
（3）测试以冷却水系统正常运行状态的压力、流量为准，且水质合格、不含有大量气泡。
（4）定子绕组冷却水线棒直径一般较小，传感器宜采用反射式安装。
（5）测试时确保附近无强电磁干扰和振动，如无线电、电焊、大流量的汽车或电车等。
（6）由于声波的传播速度与流体的温度有关，因此需精确测量流体流速时应准确设置流体温度参数。但在不同温度下，水中的声速变化不是很大，因此仅检测发电机定子绕组水管水流量分配情况时，若流体温度变化不是很大，则可仅设置初始温度。
（7）参数需符合实际情况，否则易导致测量不准。以PortFlow X时差法超声波流量计为例，管道内径参数偏差1%，约产生3%的测量误差。
4 红外热成像法的应用
红外热成像是运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供视觉分辨的图像和图形，并可进一步计算出温度值。
红外热成像技术已被证实是用于电气领域的一种行之有效的检测方法。它使我们能“看到”和测量到许多电气系统中部件缺陷、正常磨损、化学污染、腐蚀、疲劳以及装配错误引起的温度变化。
图4 发电机定子线棒整体图示
通过在运电网设备检测经验以及利用超声波法检测定子线棒水流量遇到的具体问题，试验人员认为采用超声波法与红外热成像法联合检测也适用于对运行中发電机定子冷却水流量下降和线棒温升问题的检测。当某一根或某几根定子线棒的温度出现较大变化时，根据红外检测“由远到近、由整体到局部”的思路，可以准确、清晰地在图像中区分出正常线棒和温升异常的线棒。然后，采用超声波法对温升异常的线棒进行检测、核实，并测量出真实的流量值。通常一台发电机的定子有几十根线棒，如图4所示，如果单独使用超声波法检测，假设检测一根线棒所用的时间为3分钟，在检测顺利的情况下，整台机检测下来起码需要2小时，采用超声波法与红外热成像法联合检测的方法，可以先从整体上查看所有线棒的热点分布情况，然后重点检测热点突出的线棒，使流量检测具有针对性，同时也提高了检测效率。
5结论
造成发电机定子冷却水管堵塞的原因通常为：停机期间线棒腐蚀，造成氧化膜损坏；内冷水pH值以及电导率偏低，引起铜的电化学腐蚀，析出结垢。
针对常见的堵塞故障，超声流量法为现阶段检测定子冷却水流量提供了操作便捷、测量准确的试验方法，但是线棒的弯曲和水流的不稳定会影响测试结果，而超声波法与红外热成像法联合检测的提出，加强了检测的针对性，提高了检测的准确性和效率。
参考文献：
[1]闫寒冬，徐玉海，陈瑞国.300MW发电机定子线棒故障原因，东北电力技术，2009.12.
[2]纪强，石宗国，石立斌.600MW发电机定子线棒温度高的原因分析，华电技术，2010.3.
[3]王声学，邹晓，张煦等.超声波流量法在水内冷发电机定子绕组水管水流量检测中的应用，电工技术，2013.6.
[4]吴海，涛欧阳全安.汽轮发电机定子线棒的流量检测与分析，东方电机，1998.1.
[5]张剑，唐芳轩.秦山第二核电厂发电机定子冷却水流量降低问题研究，电气应用，2013.6.