水電廠發電機定子繞組、鐵芯溫度趨勢分析

柏文珺，高 凡，李 寧

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

水輪發電機是水電廠極其重要的一次設備，在其進行檢修后，對其進行評估有助于分析其檢修效果與運行穩定性。A廠3號機組2019年下半年開始擴修改造，定子更換了除機座以外的全部部件，并進行重新裝配。因此，分析定子繞組和定子鐵芯在檢修前后的運行情況是評估機組檢修質量的重要參考依據。

目前，對于水輪發電機定子部分運行狀況的研究主要集中在其運行溫度是否超過國標[1]規定的上限值，文獻2、3分別從不同的角度研究定子溫度過高的原因以及如何降低定子溫度，并沒有關注溫升率的變化情況[2-3]。而定子個別部分的溫度變化程度大，可能會影響相應部位的絕緣性能，加速絕緣老化[4]，同時，對發電機運行狀態的監測和故障診斷產生錯誤引導[5]，可能會影響相應部位的絕緣性能，甚至由于溫差過大，使得其結構發生一定的變化，從而危及機組的穩定運行。

本文選取機組檢修前與檢修后的監控運行實際數據，分別選取某段機組帶相同有功、無功、水頭相同的運行數據。通過采集該段時間內4組定子繞組和2組定子鐵芯測點在負荷調整后6 h內的溫度數據，對比兩個時間段溫度變化曲線、最高值以及溫升率曲線。通過三個指標的對比分析能夠更有效的評估檢修質量，能夠為A廠其他機組的擴修改造提供數據和理論依據。

1 定子繞組溫度分析

1.1 數學模型與數據采集

選取A廠3號機組定子繞組溫度最高的4個測點，定子鐵芯溫度最高的2個測點在100、300、400 WM三個運行工況下，記錄機組在負荷調整后并穩定6 h內的監控系統數據用于分析和對比。

T(t)=f(t)

其中，T(t)、f(t)分別為時刻t時的溫度值、溫度變化函數。

根據上述公式繪制溫度隨時間變化的溫度變化曲線圖，直觀對比各測點的溫度變化情況。

為進一步研究溫度變化規律，本文采用溫升率來進行研究。溫升率是指在單位時間內溫度變化的程度，其數學表達式為

式中：Tf為溫升率；Tn為某測點的溫度值；Tn-1為該測點前一個單位時間的溫度值；Δt為單位時間段。

為便于計算和比較，本文選取的時間段為1 h，即1 h內溫度變化的數值，單位為℃/h。

1.2 對比分析

1.2.1 100 WM工況

根據監控系統所得檢修前(2019年)和檢修后(2020年)(下同)3號機組數據所繪制100 WM工況下定子繞組溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 100 MW各繞組溫度變化曲線圖

從圖1中可知，檢修后3號機組在100 WM運行工況時各繞組溫度最大值有明顯降低，4個繞組測點平均降低6.8℃，17號繞組測點溫度下降最大，達7.4℃。對比溫度曲線可知，各繞組溫度變化曲線波動趨于一致，溫度波動幅度有一定的縮小，曲線更加平滑、穩定，各繞組溫度趨于穩定的時間相較于檢修前縮短，其溫升率如表1所示。

從表1可知，在100 WM工況下，定子繞組溫度在負荷調整后能夠迅速穩定，其后有小范圍的波動，檢修前后進行對比發現，溫度的溫升率變化值相差較小，但檢修后定子繞組各測點的溫升率變化趨于一致。

表1 100 WM機組定子繞組溫升率表

1.2.2 300 WM工況

根據監控系統所得數據所繪制300 WM工況下定子繞組溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 300 MW各繞組溫度變化曲線圖

對比圖2所示各項數據可知，定子繞組在300 WM工況下，檢修后各測點的最高溫度均低于檢修前，平均下降5.3℃，其中22號繞組降幅最大，達7.2℃。在機組負荷調整后，繞組溫度有一個明顯的上升趨勢，2 h后曲線漸變平緩，斜率降低。對比檢修前后溫度曲線可得出，檢修后的溫度曲線比檢修前更為平滑，曲線趨于水平所需時間更短，各繞組測點變化趨勢一致，如表2所示。

對比表2溫升率可知，在機組負荷調整后2 h內，繞組溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～5 h內溫升率降低至1～2℃/h，5 h后進入穩定區間，溫升率小于1℃/h，但各繞組溫度仍存在波動，而且其溫升率變化幅值和方向均不相同。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負荷整后2 h內，溫升率幅值在1.5℃/h以下，3 h后溫度迅速趨于穩定，溫升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐漸降低，趨于0值，同時各繞組溫升率變化幅值相近，方向一致。

表2 300 WM機組定子繞組溫升率表

1.2.3 400 WM工況

根據監控系統所得數據所繪制400 WM工況下定子繞組溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 400 MW各繞組溫度變化曲線圖

對比圖3所示各項數據可知，定子繞組在400 WM工況下，檢修后各測點的最高溫度均低于檢修前，平均下降7.1℃，其中22繞組號降幅最大，達8.4℃。并且，檢修前17號繞組測點的溫度明顯低于其他3個測點，差值將近10℃，查詢該測點其他時間段的數據發現，該測點的溫度在檢修前與本次測點情況一致，均略低于其他測點，排除本次數據采集有誤情況。對比溫度變化曲線可知，在機組負荷調整后，繞組溫度有一個明顯的上升趨勢，3 h后曲線漸變平緩，斜率降低。對比檢修前后的溫度曲線可知，檢修后的溫度曲線比檢修前更為平滑，曲線趨于水平所需的時間更短，各繞組測點變化趨勢一致，沒有出現檢修前某一繞組與其他繞組溫差明顯的情況，如表3所示。

表3 400 WM機組定子繞組溫升率表

對比表3溫升率值可知，在機組負荷調整后2 h內，繞組溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～4 h內溫升率降低至0.05～1.5℃/h，4 h后進入穩定區間，溫升率小于0.2℃/h，但各繞組溫度仍存在波動，而且其溫升率變化幅值和方向基本一致。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負荷整后2 h后溫度迅速趨于穩定，溫升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐漸降低，趨于0值，同時，各繞組的溫升率變化幅值相近，方向一致。

1.2.4 同繞組不同負荷段溫升率

根據測點數據，選取14號定子繞組測點檢修后的數據進行不同負荷段溫升率變化分析，如表4所示。

表4 14號定子繞組不同負荷段溫升率表

從表4可知，14號繞組的溫升率并不是隨著負荷的增大而增加，而是在100 WM負荷段和400 WM負荷段的溫升率要明顯小于300 WM負荷段，且趨于穩定的時間也較小。考慮300 WM的負荷段靠近機組的振動區，可能導致該負荷段溫升率相對其他負荷段較高。在另外兩個負荷段，溫升率隨負荷增大而增加。

2 定子鐵芯溫度對比分析

2.1 100 WM工況

根據100 WM工況下定子鐵芯溫度數據，繪制其溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 100 MW各鐵芯溫度變化曲線圖

從圖4中可知，3號機組在100 WM運行工況下，各定子鐵芯溫度最大值相較檢修前有明顯降低，2個繞組測點平均降低5.4℃。對比溫度曲線可知，各測點溫度變化曲線形狀趨于一致，溫度波動幅度有一定縮小，曲線更加平滑、穩定，各繞組溫度趨于穩定的時間相較于檢修前縮短，且沒有出現檢修前溫度變化趨勢不同的情況，如表5所示。

表5 100 WM機組定子鐵芯溫升率表

從表5可知，在100 WM工況下，定子鐵芯溫度在負荷調整后能夠迅速穩定，其后基本沒有太大的波動，檢修前后定子鐵芯溫升率變化值沒有太大的差距。

2.2 300 WM工況

根據監控系統所得數據所繪制300 WM工況下定子鐵芯溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 300 MW各鐵芯溫度變化曲線圖

對比圖5所示各項數據可知，定子鐵芯在300 WM工況下，檢修后各測點的最高溫度較大幅度降低，選取的兩個測點分別降低了10.3℃和13.5℃，且兩測點之間的溫度差距較小。對比溫度變化曲線可知，在機組負荷調整后，繞組溫度有一個明顯的上升區間，2 h后曲線漸變平緩，斜率降低。檢修后的溫度曲線比檢修前更為平緩，曲線趨于水平所需的更短，各鐵芯測點曲線變化一致，如表6所示。

表6 300 WM機組定子鐵芯溫升率表

對比表6溫升率值可知，在機組負荷調整后2 h內，鐵芯溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～3 h內溫升率降低至1℃/h以下，3 h后進入穩定區間，溫升率小于0.5℃/h，但各繞組溫度仍存在波動，且其溫升率變化方向不同。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負荷整后2 h內，溫升率幅值在1.5℃/h以下，3 h后溫度迅速趨于穩定，溫升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐漸降低，趨于0值，同時，各測點的溫升率變化幅值相近，方向一致。

2.3 400 WM工況

根據監控系統所得數據所繪制400 WM工況下定子鐵芯溫度變化曲線如圖6所示。

對比圖6所示各項數據可知，定子鐵芯在400 WM工況下，檢修后各測點的最高溫度出現大幅度下降情況，2個測點分別降低了18.7℃和23.4℃，且2測點之間的溫度差距較小。對比溫度變化曲線發現，在機組負荷調整后，鐵芯溫度曲線在2 h后漸變平緩，斜率降低。檢修后的溫度曲線比檢修前更為平緩，曲線趨于水平所需的更短，各鐵芯測點曲線變化一致，如表7所示。

圖6 400 MW各鐵芯溫度變化曲線圖

表7 400 WM機組定子鐵芯溫升率表

對比表7溫升率值可知，在機組負荷調整后2 h內，鐵芯溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～3h內溫升率降低至1.5℃/h以下，3 h后進入穩定區間，溫升率小于0.5℃/h，逐漸趨于0值，但各測點溫度仍存在波動，且其溫升率變化幅值和方向不同。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負荷整后2 h內，溫升率幅值在0.5℃/h以下，3 h后溫度迅速趨于穩定，溫升率趨于0值，同時，各測點的溫升率變化幅值相近，方向一致。

2.4 同鐵芯測點不同負荷段溫升率

根據測點數據，選取9號定子鐵芯測點檢修后的數據進行不同負荷段溫升率變化分析，如表8所示。

表8 9號定子鐵芯不同負荷段溫升率表

從表8數據可知，9號鐵芯測點的溫升率并不是隨著負荷的增大而增加，而是在100 WM負荷段和400 WM負荷段的溫升率要明顯小于300 WM負荷段，且趨于穩定的時間也較小。考慮300 WM的負荷段靠近機組的振動區，可能導致該負荷段溫升率相對其他負荷段較高。在另外兩個負荷段，明顯由于負荷較大，溫升率也隨之提升。

3 結 語

通過對比A廠3號機組檢修前后定子繞組和定子鐵芯在不同負荷段的溫度最大值、溫度變化曲線和溫升率可以明顯看出，檢修后的各項數據明顯優于檢修前，各測點的溫度值均存在不同程度的降低，不同測點的溫度變化趨勢相近，測點之間的溫度差距縮小，同時溫度趨于穩定的時間更短，在穩定以后，各測點的溫升率逐漸趨近于0值。綜上所述，本次檢修對機組的健康運行起到了積極的作用。