基于三維溫度場的定子繞組溫度修正方法研究

湖南五凌電力科技有限公司 湖南省水電智慧化工程技術研究中心 姜 運 萬 元 潘平衡

五凌電力有限公司株溪口水電廠 申潘威 劉 禹 劉 洋

發電機是水力發電系統的主設備，定子繞組是發電機的重要構成，為高壓大電流部位，是發電機的主要發熱源，若出現短路或局部絕緣缺陷，其發熱量將增大，導致缺陷進一步惡化，嚴重時將損壞定子繞組，造成機組停運，因此對定子繞組線圈進行實時溫度監測極其重要[1-2]。

定子繞組測溫電阻在發電機制造時預埋在定子繞組上層線棒與下層線棒的層間絕緣層中，由于長期運行在惡劣的環境中，如高溫、振動、油腐蝕等，造成測溫傳感器元件損壞、電纜折斷、導線絕緣老化等問題，造成溫度測量不準確[3-4]。測溫器件損壞后，若需要進行更換，則需要拔定子線棒，相當于把發電機全部拆開重裝，定子繞組數量達數百，施工工藝難度大，時間、人力、物力、財力耗費極大，若工藝不到位，定子繞組運行一段時間后可能導致絕緣損壞、發電機燒毀，帶來巨額經濟損失。因此，在實際生產工作中，若發電機僅有溫度探頭損壞，基本不采取上述方式解決定子測溫問題。可選擇在定子繞組的其它部位安裝測溫探頭，采取相應的補償措施，近似替代原來部位的溫度。

文獻[1]就采用此種方法進行修正，但是仍然存在一定的誤差。主要原因分析如下：采用一個定子槽（218槽）的溫度差值，作為其它新增溫度探頭的修正值，存在偶然誤差。定子線圈雖然在設計上各個繞組和槽的形狀、材質、發熱、散熱等完全一致，但是由于生產材料和制造工藝的允許差別范圍內，各繞組之間存在一定的差異，又由于發電機組在強電磁場、高溫、振動、油污等環境中長期運行，導致定子繞組輕微形變，發熱、導熱系數發生改變等，加速了各繞組溫度分布的不一致性。因此，218號定子槽的溫度差值，代替所有新增溫度探頭的差值參與計算，存在一定的誤差。不同繞組橫向對比存在偶然誤差，同理同一繞組縱向對比，也會存在差別，歷史溫度數據和改造后的溫度數據進行對比，兩者在時間上相差3年，定子繞組的導熱、散熱系數等發生變化，即使在所有外部條件都一致的情況下，定子繞組相同部位溫度也可能發生變化，而論文中的是假定218號槽定子繞組在改造前后完全一致，存在一定的誤差。

基于上述分析，論文提出了一種基于定子繞組三維溫度場的定子繞組溫度修正方法。根據定子繞組溫度場仿真模型，計算其不同部位的溫度差別，當新的探頭安裝在定子繞組其他部位時，也可通過換算得到繞組內部的溫度。

1 溫度探頭的選擇及布置

定子繞組運行10余年，原有的測溫電站預埋在上、下層線棒中間，共有18只鉑電阻探頭，已部分損壞，僅剩11只探頭能夠正確反映定子線棒內部的溫度，且損壞的探頭數量有上升的趨勢。

鑒于鉑電阻探頭易損壞、容易受電磁干擾的狀況，尋找一種更耐用、長壽命、測量溫度的測溫探頭。光纖傳感器自60年代第一次用于溫度測量以來，光纖傳感技術經歷了開發、試用至商業化的艱苦歷程，目前已達到了可大量生產用于各種目的的成熟的商品化階段。光纖傳感器是利用光在光纖中傳輸時，由外界環境溫度、壓力、應力等物理量發生變化，對傳輸光線的光強、波長、相位等參數產生影響而發生變化，從而對應檢測出各被測物理量之變化的新型傳感技術。光纖傳感器主要有如下特點：抗電磁干擾、高絕緣強度、高可靠性/穩定性、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長壽命、免維護。因此選擇光纖測溫探頭。

在不破壞定子繞組絕緣的前提下布置測溫探頭，探頭的位置僅能選擇定子繞組絕緣表面，為了安裝施工方便，可選擇定子端部靠近絕緣盒的位置。在定子繞組端部表面布置若干只光纖測溫探頭，用以測量定子表面的溫度，其所在的繞組位置與鉑電阻相同，只是鉑電阻測量的是定子內部，而光纖測溫測量定子端部表面。監控系統采集正常測溫的鉑電阻探頭及光纖測溫探頭數據。

2 溫度場仿真模型建立及修正

電機是一種結構非常復雜的不均勻發熱體，其內部熱量流動和傳遞的過程很復雜，這些都影響電機的發熱計算。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。利用CFD進行定子繞組溫度仿真，根據邊界條件求解溫度方程，獲得不同工況下定子繞組表面和內部溫差。

根據定子繞組的電磁方案（各類損耗、結構尺寸）、通風系統形式、風機參數、通風管路圖、冷卻器參數、轉子支架尺寸、上下游擋風板尺寸、磁軛尺寸及通風孔分布、磁極尺寸、上下游端部空間尺寸、基座尺寸、定子尺寸、空冷器進水溫度、冷卻套尺寸等，建立定子繞組三維溫度場仿真模型，模擬不同環境溫度、不同負荷條件下，定子繞組在運行過程中的熱傳導過程及定子繞組各部件包括定子繞組內部、定子端部表面的溫度分布。根據此模型可以計算某一工況下每一根定子繞組內部和表面端部的溫度差值。

在一定的環境溫度、負荷條件下，某一根定子繞組內部、端部表面溫度數據數據差值，與三維溫度場仿真模型中此根定子繞組內部和表面溫度差值進行比對，若兩差值相同，則此處三維溫度場準確，若差值不相等，則以實際測量的差值為準，對三維溫度場模型進行修正，主要修正導熱系數（與設備長期運行強磁場、高溫環境、老化等相關），建立與現場設備運行實際情況更為匹配的三維溫度場仿真模型。

圖1 滿載運行時定子部分溫升分布

3 基于二維數組的定子繞組溫度修正方法

定子繞組的三維溫度場與周圍環境溫度及機組負荷相關性大，根據三維溫度場仿真模型，以定子繞組外部環境溫度、機組負荷為邊界條件（變量），建立定子繞組溫度修正值的二維數組，反映新增探頭溫度和對應的定子繞組原來探頭處的溫度差值的一一對應關系，將此二維數組作為計算關系植入到發電機組監控系統。監控系統采集定子繞組外部環境溫度、機組負荷、新增光纖探頭溫度，根據前兩個邊界條件，查找二維數組可以得到繞組溫度的修正值，與新增光纖探頭溫度結合，就可以計算出原定子繞組內部探頭處的溫度。

根據三維溫度場仿真模型，統計新增的溫度測點A在不同溫度、負荷條件下，光纖探頭溫度與原探頭安裝處的溫度差值，如表1。

表1 新增溫度測點A在不同溫度、負荷條件下與原探頭安裝處的溫度差值

建立二維數組，如下。

同理，在新的溫度測點B、C、D等建立二維數組。

上述數組做成結構化數據，植入到發電機計算機監控中，監控系統采集環境溫度及負荷大小，首先進行邊界條件的約算，即將邊界條件數值就近原則與表1中數值進行對應，如21.2℃，約算為22℃，負荷22%，約算為22.5%，然后自動查表，獲取修正值。最后，將修正值與定子表面溫度值疊加，就可以實時修正每一個損壞的溫度測點的溫度。

4 結語

三維溫度場仿真可以對定子繞組的通風、散熱情況進行模擬，可建立定子繞組內部溫度與端部溫度隨環境溫度及負荷變化的關系表。基于二維數組的溫度場修正方法融入監控系統后，將可實現定子繞組溫度的修正，提高溫度測量的準確度。