利用紅外熱成像監測水輪發電機運行溫度的研究*

林增健 劉文澤 張龍威 李江榮

（華南理工大學電力學院 廣州 510640）

1 引言

當前，已建成的小水電站中大多通過指針溫度計來監測水輪發電機運行時的定轉子溫度，但無法實現數據遠程傳輸、對發電機遠程監控和在線運行分析。若對電機進行改造，在定轉子處加裝溫度傳感器非常困難。因此，利用紅外熱成像技術安裝方便、分辨率高的優點，可以監測發電機機殼溫度，借助建立發電機溫度場模型，對發電機定轉子溫度進行計算求解，便可有效解決這一在線溫度監測與數據傳輸問題。

現有研究文獻，Hatziathanassiou V［1］進行了確定熱源及電機溫度場計算的建模方法的相關研究。El-Refaie A M［2］研究了永磁同步電機的電磁與熱的耦合，通過參數化、有限元電磁模型的混合，建立了快速求解的模型。王艷武［3～4］利用有限元法，對中小型異步電機進行了溫度場的仿真計算，進一步對轉子熱應力場進行了研究。李偉力等［5～8］在發電機定子、轉子溫度場與流體場方面做了大量計算與分析工作。馮海軍［9］運用了電機內冷卻介質等效導熱系數的方法以解決轉子旋轉以及電機內空氣流動的問題，并對轉子內部溫升進行了分析。

本文針對一臺水輪發電機建立了二維導熱模型，利用紅外熱成像攝像儀測量電機外殼溫度，結合有限差分法和穩態傳熱的基礎理論，進行電機溫度場計算，得出電機定子、轉子溫度，從而實現對電機定轉子溫度的在線間接測量。

2 紅外間接監測定轉子溫度方法

紅外測溫技術能夠無接觸測量水輪發電機的機殼表面溫度。與傳統傳感器只能測量單點的溫度相比，紅外熱成像攝像儀測溫范圍大，便于測得多點準確溫度。

根據水輪發電機的結構、尺寸、出力等參數，進行水輪發電機溫度場建模。計算發電機各部分損耗，將紅外測得的機殼表面溫度作為邊界條件，進行溫度場求解，得到定轉子實時溫度，實現對水輪發電機的運行溫度監測。該方法無需拆開發電機安裝測溫設備，具有測溫簡便的優點。紅外間接監測定轉子溫度方法的流程：1）獲取發電機參數；2）進行溫度場建模；3）實時計算發電機損耗；4）紅外熱成像儀實時測量機殼表面溫度；5）溫度場求解，得到定轉子溫度。

3 水輪發電機溫度場模型

3.1 水輪發電機物理模型

以SFW系列的水輪發電機為研究對象，基本參數如表1。

表1 水輪發電機基本參數

由于結構對稱性，近似認為電機在軸向上溫度梯度為零，不進行軸向傳熱，對電機物理模型進行簡化，取其徑向截面建立二維模型，計算區域包含機殼、定子、轉子、氣隙，如圖1所示。

圖1 溫度場計算區域圖示

3.2 溫度場模型基本假設

為了溫度場模型的快速計算分析，作以下假設：

1）定子槽部繞組的集膚效應忽略不計；

2）考慮到電機結構的對稱性，認為定轉子沿軸向方向溫度梯度為零，即徑向截面為絕熱面；

3）考慮到電機結構的對稱性，認為計算區域的徑向邊界為絕熱面。

3.3 水輪發電機數學模型

根據傳熱學理論可以得到極坐標系，水輪發電機溫度場分析時計算區域的二維穩態熱傳導方程［10］：

式中，Ωin為求解域內部區域；Bt為已知溫度的邊界；Badi為絕熱邊界；q'''為熱源強度，W/m3；k為各節點導熱系數，W/（m·K）；T為各節點溫度，℃。

3.4 溫度場模型邊界條件

溫度場模型的邊界包括以下三方面：

1）紅外測得機殼表面溫度為給定溫度邊界；

2）由于電機對稱性，近似認為電機在周向上不進行傳熱，即計算區域的徑向邊界為絕熱面；

3）將旋轉的氣隙進行靜止化處理，認為氣隙空氣與定轉子進行對流換熱。

3.5 損耗分析

對于電機而言，熱源由電機各類損耗組成，主要有鐵芯損耗、銅損耗和機械損耗。

3.5.1 電機內鐵芯損耗

電機內鐵芯損耗包括基本鐵耗和附加損耗。由于鐵心中軛部和齒部的加工情況及磁通密度分布情況不同，分別對鐵心軛部與齒部的基本鐵耗進行計算。

1）鐵心軛部的基本鐵耗［11］為

式中，Gj為鐵心軛部的重量；Ka為經驗系數，對交流電機，當容量PN＜100kVA時，Ka=1.5，當容量PN≥100kVA時，Ka=1.3；pFej為單位質量的損耗，也稱比損耗。

比損耗pFej采用下式計算：

式中，p10/50從硅鋼片損耗曲線查??；Bj為軛部中最大磁通密度。

2）鐵心齒部的基本損耗為

式中，Gt為齒部鐵心重量；Ka為經驗系數，對異步電動機，Ka=1.8；對同步電機，當PN＜100kVA時，Ka=2.0，當PN≥100kVA時，Ka=1.7。

比損耗pFet通過下式計算：

式中，Bt為齒部平均磁通密度。

3.5.2 發電機銅損耗

發電機銅損耗包括基本銅損耗和附加損耗。當電機參數對稱時，基本銅損耗為

式中，M為電機繞組相數；R為單相繞組的電阻，Ω。

附加損耗根據經驗一般取輸入或輸出功率一定的百分比。

3.5.3 發電機機械損耗

機械損耗包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗、轉子風摩擦損耗及通風損耗。這些損耗在一般情況下，均難以實現準確計算。本文中取功率的一定比例近似計算。

4 紅外測溫計算結果準確性分析

在水輪發電機損耗準確計算的基礎上，結合發電機各部件的材料特性，在各部位施加熱源和確定導熱系數。結合邊界條件，用Matlab軟件編程，對發電機在額定功率運行時的穩態溫度場進行仿真計算［12～13］。并將紅外測溫計算得到的溫度與實測的溫度進行對比，驗證紅外測溫方法的準確性。

4.1 水輪發電機溫度場求解結果

水輪發電機溫度場分布情況如圖2所示。

圖2 水輪發電機溫度場分布

從圖2中可以得知：電機溫度分布大體上呈現轉子、氣隙、定子、機殼溫度依次下降的特點，而且溫度在氣隙處變化最為劇烈，這是因為氣隙中空氣的導熱系數較小，散熱較慢不利于轉子產生的熱量向外傳導。

4.2 紅外測溫求解結果誤差分析

為了驗證模型及參數設置的正確性，通過溫升實驗進行驗證，測算在不同出力下，模型仿真計算結果與實際結果的誤差。溫升實驗時在轉子繞組中埋設熱敏電阻測量轉子溫度，并安裝紅外熱成像攝像儀進行機殼的溫度監測。

讓電機分別在50%、65%、80%、100%出力四種運行狀態下運行一段時間直至溫度達到穩態，記錄下轉子溫度，與仿真計算的結果對比，如表2所示。

表2 實測溫度與計算結果對比

從表中可以看出，在功率較低時，計算值偏小，功率高時計算值偏大，計算結果與實際測量值誤差最大為2.5℃，計算結果與實際值均能較好吻合，較好地滿足了工程要求。

5 溫度計算誤差影響因素的敏感性分析

溫度誤差可能是損耗計算不夠準確和氣隙等效導熱系數取值不合適兩個原因導致。接著將分析定子損耗、轉子損耗、氣隙等效導熱系數的設置對水輪發電機溫度計算的影響。

5.1 定子損耗對溫度計算的影響

以額定出力時的定子損耗為基準，分別取定子損耗為其k1倍，其余條件不變，計算分析電機溫度場的變化情況，如圖3所示。

圖3 定子損耗對水輪發電機溫度場的影響

從圖3中可以看到，若定子損耗取值偏大，溫度場計算結果較實際情況均有不同幅度的上升：轉子各處溫度上升幅度一致，氣隙溫降不變，定子從內向外溫度上升幅度逐漸減小。這是由于定子損耗增大后，定子發熱增加，增加的這部分熱量在靠近機殼處散發快，遠離機殼處散發慢，因此定子各處溫升程度不相同。因為定子溫度的升高，使得轉子散熱受到阻礙，轉子溫度上升直至達到平衡，抬升了轉子溫度。

5.2 轉子損耗對溫度計算的影響

以額定出力時的轉子損耗為基準，分別取轉子損耗為其k2倍，其余條件不變，計算分析電機溫度場的變化情況，如圖4所示。

圖4 轉子損耗對水輪發電機溫度場的影響

從圖4中可以看到，轉子損耗取值對溫度場的影響與定子損耗大致相同，不同的是定子損耗取值偏大時，氣隙溫降不變；轉子損耗取值偏大，氣隙溫降也隨之增大。這是因為轉子損耗增加使得轉子溫度升高，定轉子溫差較大，在相同的氣隙等效導熱系數的情況下，氣隙處溫度梯度較大，溫降下降越明顯，同時定子溫度也會有所提高。

5.3 氣隙等效導熱系數取值對溫度計算的影響

以氣隙等效導熱系數的初始取值為基準，分別取其k3倍，其余條件不變，計算分析電機溫度場的變化情況，如圖5所示。

圖5 氣隙等效導熱系數對電機溫度場的影響

從圖5中可以明顯看到：氣隙等效導熱系數取值對于溫度場的影響主要體現在轉子溫度上，對定子溫度影響不大。氣隙等效導熱系數越小，轉子溫度越高；氣隙等效系數逐漸增大，轉子溫度下降的幅度逐漸減小，即氣隙等效導熱系數對轉子溫度的影響逐漸減弱。這是因為氣隙是轉子散熱的主要通道，氣隙等效導熱系數決定了氣隙導熱能力的高低，決定了轉子散熱的快慢，也就影響了轉子溫度的高低。提高氣隙等效導熱系數，轉子通過氣隙散熱加快，轉子溫度明顯下降。

6 結語

通過建立水輪發電機二維導熱模型，結合紅外熱成像技術測量發電機外殼的運行溫度，進行電機溫度場計算，求解水輪發電機溫度場分布情況。將計算結果與實測溫度值進行比較，最大相對誤差的絕對值為3.6%，因此通過紅外熱成像技術測量發電機機殼表面溫度，建立發電機導熱模型，從而推算發電機定轉子溫度的方式具有可行性和實用性。

進一步分析定子損耗、轉子損耗、氣隙等效導熱系數對水輪發電機溫度計算的影響。得到以下結論。

1）發電機內轉子、氣隙、定子溫度依次降低；轉子內溫度變化不大，定子溫度從內向外溫度逐漸降低，氣隙處有明顯的溫降。

2）定子損耗、轉子損耗取值對發電機溫度場求解準確度有著大致相同的影響：定子、轉子損耗偏大時，定子、轉子溫度都會偏高。

3）氣隙等效導熱系數取值對轉子溫升影響較大，氣隙等效導熱系數越大，轉子溫升越??；隨著氣隙等效導熱系數的增大，氣隙等效導熱系數對轉子溫升的影響逐漸減小。機組運行時應改善氣隙散熱條件，提高氣隙等效導熱系數，從而降低電機轉子溫度。