大型發(fā)電機(jī)定子繞組溫度數(shù)據(jù)分析策略

呂愛軍，戴 祥，陳明艷

（華能瀾滄江水電股份有限公司檢修分公司，云南 昆明 650051）

0 引言

發(fā)電機(jī)運行過程中，其定子繞組絕緣系統(tǒng)會因各種原因?qū)е缕浣^緣系統(tǒng)的熱裂化，例如設(shè)計階段繞組股線換位不當(dāng)引起的循環(huán)電流、繞組匝數(shù)不平衡引起負(fù)序電流、發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻容量不足或運行不良、定子繞組股間短路、定子鐵心疊片間短路以及發(fā)電機(jī)實際運行負(fù)荷長時間超出設(shè)計限制等，空冷式發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)主要采用熱固化材料，而熱劣化本質(zhì)上是氧化反應(yīng)[1]。即在一定溫度下，絕緣材料的有機(jī)組分分子化學(xué)鍵會因溫度造成裂解并形成新的氧化聚合物，絕緣材料的粘結(jié)性和機(jī)械強(qiáng)度會大大下降，嚴(yán)重時甚至影響絕緣材料的絕緣性能。線棒股線間絕緣粘結(jié)強(qiáng)度下降，各股線導(dǎo)體因電磁力的作用相對振動將導(dǎo)致絕緣磨損，進(jìn)一步發(fā)展將造成匝間短路；線棒匝間或主絕緣間絕緣材料粘結(jié)強(qiáng)度下降，可能導(dǎo)致線棒各層絕緣分離并產(chǎn)生氣隙，運行過程中高場強(qiáng)下絕緣材料分層內(nèi)部將產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重時會導(dǎo)致主絕緣或匝間絕緣中腐蝕出貫穿性孔洞引發(fā)繞組匝間短路或接地故障[1]，嚴(yán)重影響設(shè)備安全穩(wěn)定運行。因此，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常表象于定子溫度變化時，能快速的從眾多測溫數(shù)據(jù)中得到一個展示多維數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢變化的直觀可視化呈現(xiàn)就顯得尤為重要，其有利于運行人員及時采取措施，有利于設(shè)備管理部門制定維護(hù)、臨檢計劃。因此，研究如何將上百塊或幾百塊定子測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并可視化呈現(xiàn)，如何快速的從數(shù)據(jù)中得到一個概覽和展示數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)顯得極為重要對于智慧水電廠智慧運行監(jiān)測有重大意義。

1 定子繞溫數(shù)據(jù)分析現(xiàn)狀

大型水輪發(fā)電機(jī)繞組支路長、定子槽較多，定子繞組的最高運行溫度難以直接測量，目前行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的測量方法是以間接測量的方式，即在發(fā)電機(jī)安裝過程中通過預(yù)埋在定子槽上、中、下層繞組或繞組線棒間的電阻式溫度傳感器或熱電偶進(jìn)行間接監(jiān)測上送監(jiān)控。監(jiān)測到的溫度需要有一個標(biāo)準(zhǔn)值來判定其溫度正常與否，因此建立準(zhǔn)確計算發(fā)電機(jī)定子繞組溫度標(biāo)準(zhǔn)值的模型十分必要[2]。常規(guī)的分析，運行人員同時監(jiān)測上百個測點上送數(shù)據(jù)，難以直觀發(fā)現(xiàn)且科學(xué)評判定子溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)異常變化。現(xiàn)有的機(jī)組在線監(jiān)測分析系統(tǒng)對定子溫度這一重要運行指標(biāo)的分析較簡單，常見的主要為觀察機(jī)組運行負(fù)荷與定子各測溫數(shù)據(jù)總體溫度均值變化趨勢，觀察定子溫度極值、極差、緩變率等。發(fā)電機(jī)定子繞組有上百個溫度測點，其上百個變量的數(shù)據(jù)高度復(fù)雜性和數(shù)據(jù)質(zhì)量不確定性，要直接對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化難以實現(xiàn)，即便通過各測點數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量進(jìn)行可視化亦難以展現(xiàn)數(shù)據(jù)全貌。

2 定子繞組溫度數(shù)據(jù)信息描述

2.1 基于發(fā)電機(jī)運行負(fù)荷描述定子繞組溫度信息

通常情況下，常規(guī)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差這類數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計量容易理解且計算方便，適用于單一中心鋒的分布，如果分析數(shù)據(jù)形態(tài)不符合這個基于樣本對總體的假設(shè)，則很多數(shù)學(xué)模型是不成立的，牽強(qiáng)的使用可能會誤導(dǎo)；此外，如果樣本數(shù)據(jù)呈現(xiàn)扭曲等形態(tài)時，再以均值或標(biāo)準(zhǔn)差作為當(dāng)出現(xiàn)異常值時，將標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量分布的寬度的假設(shè)也是不成立的[3]。這種情況下，中位數(shù)（median）或眾數(shù)(mode)就可以很好的回避這一問題。中位數(shù)是指按順序排列的一組數(shù)據(jù)中居于中間位置的數(shù)，代表一個樣本、種群或概率分布中的一個數(shù)值，可以通過把所有觀察值排序后找出；眾數(shù)在統(tǒng)計分布上具有明顯集中趨勢點的數(shù)值，是一組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)值。本文數(shù)據(jù)整體描述主要基于各測點溫度數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)負(fù)荷各測點對應(yīng)的中位數(shù)構(gòu)造單一測點統(tǒng)計量開展數(shù)據(jù)分析。即基于發(fā)電機(jī)一個或多個運行周期（停機(jī)態(tài)-穩(wěn)定運行-停機(jī)態(tài)）下的數(shù)據(jù)作為樣本，通過樣本數(shù)據(jù)估計總體相關(guān)統(tǒng)計量，構(gòu)造基于數(shù)據(jù)樣本估計總體數(shù)據(jù)的的溫度特征量，構(gòu)造基于分析數(shù)據(jù)的溫度特征量，可視化呈現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組測溫數(shù)據(jù)總體形貌。

2.2 整體趨勢檢測

為進(jìn)一步判斷檢測某段時間內(nèi)的某個指標(biāo)總體趨勢是上升了還是下降了，引入趨勢檢測，即將機(jī)組運行周期（停機(jī)態(tài)-穩(wěn)定運行-停機(jī)）的數(shù)據(jù)（一個時間段內(nèi)多個周期）作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，按發(fā)電機(jī)定子各相各分支定子繞組支路溫度統(tǒng)計量構(gòu)造周期內(nèi)隨負(fù)荷變化的時序趨勢。時序趨勢檢測主要有斜率法、Cox-Stuart趨勢檢測和Mann-kendall趨勢檢測等方法。斜率法主要是采用最小二乘等方法在一個時間段內(nèi)對時序數(shù)據(jù)進(jìn)擬合出一元線性方程，根據(jù)擬合成的直線求斜率,該斜率即為其變化趨勢率k，斜率的正、負(fù)代表了趨勢變化方向，當(dāng)K大于0時代表趨勢上升，當(dāng)K小于0時則代表趨勢下降。該方法要求時間段內(nèi)時序數(shù)據(jù)趨勢存在且主要用于具有周期性狀態(tài)變化的整體趨勢，對反映時間段內(nèi)的時序數(shù)據(jù)變化趨勢、異常突變效果不好。Cox-Stuart趨勢檢測是一種不依賴趨勢結(jié)構(gòu)的快速判斷趨勢是否存在的方法，其算法思想是：若數(shù)據(jù)有上升趨勢，那么排在后面的數(shù)據(jù)值將比排在前面的數(shù)據(jù)值大，反之則若排在后面的數(shù)據(jù)值比排在前面的數(shù)據(jù)值小則數(shù)據(jù)有下降趨勢，該方案容易受分析數(shù)據(jù)中存在的少數(shù)異常值的干擾。Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要數(shù)據(jù)樣本遵循特定的分布，也不受分析數(shù)據(jù)中存在的少數(shù)異常值的干擾，該檢驗方法不但可以檢驗時間序列的變化趨勢，還可以檢驗時間序列是否發(fā)生了突變,主要用于氣候、水文及生信周期性數(shù)據(jù)分析，主要針對具有長周期性的時序數(shù)據(jù)趨勢檢測和突變檢測。

基于發(fā)電機(jī)停機(jī)態(tài)定子繞組測溫眾數(shù)數(shù)據(jù)（評估發(fā)電機(jī)運行環(huán)境溫度因素）和長周期帶負(fù)荷運行狀態(tài)下定子繞組測溫眾數(shù)數(shù)據(jù)（負(fù)荷影響及冷卻裝置影響因素）構(gòu)造繞組過熱特征量，作為發(fā)電機(jī)定子過熱預(yù)警閾值。

（1）基于數(shù)據(jù)集篩選出發(fā)電機(jī)停機(jī)態(tài)數(shù)據(jù)集,計算發(fā)電機(jī)停機(jī)態(tài)下定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量并分別計算停機(jī)態(tài)下發(fā)電機(jī)定子各支路測點溫度眾數(shù)均值統(tǒng)計量；

（2）計算發(fā)電機(jī)運行負(fù)荷為Px下定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量，構(gòu)造發(fā)電機(jī)運行負(fù)荷為Px時定子繞組各分支溫度估計特征量 ；

（3）構(gòu)造負(fù)荷為Px時定子繞組各分支溫度評價特征量 ；

（4）將發(fā)電機(jī)運行負(fù)荷為Px下的定子各支路溫度特征量與發(fā)電機(jī)停機(jī)態(tài)下相應(yīng)特征量進(jìn)行比較，分析判定該支路是否存在整體增量突變，即存在過熱。

3 數(shù)據(jù)資料和分析實例

3.1 數(shù)據(jù)資料

瀾滄江流域某水電廠發(fā)電機(jī)為立軸半傘式結(jié)構(gòu)、全空冷式三相凸極同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子額定電壓 18 kV，定子繞組為每相 8 路并聯(lián)雙層波繞組結(jié)構(gòu)，每個槽內(nèi)布置2根線棒，定子各相各分支分別預(yù)埋布置上部、中部、下部電阻式溫度傳感器各2支，A、B、C三相共144支溫度傳感器。

3.2 定子各測點可視化

采集機(jī)組2020年4月至6月多個周期（停機(jī)態(tài)-穩(wěn)定運行-停機(jī)態(tài)）發(fā)電機(jī)定子繞組溫度、定子鐵芯溫度、空冷器冷熱風(fēng)溫度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)清洗、計算統(tǒng)計量、構(gòu)造特征量，利用R語言[4]可視化如圖1示。

圖1

3.3 整體評估

3.3.1 構(gòu)造分析特征量

（1）根據(jù)發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取該機(jī)組2021年內(nèi)的機(jī)組運行負(fù)荷、定子繞組溫度等數(shù)據(jù)，計算發(fā)電機(jī)停機(jī)態(tài)下定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量，分別計算停機(jī)態(tài)下發(fā)電機(jī)定子各支路測點溫度眾數(shù)均值統(tǒng)計量。

表1

（2）根據(jù)發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取該機(jī)組2021年內(nèi)的機(jī)組運行負(fù)荷、定子繞組溫度等數(shù)據(jù)，計算發(fā)電機(jī)負(fù)荷為Px時定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量，以u1為例，按下式計算u相第1～8分支溫度估計特征量

式（1）中為基于歷史數(shù)據(jù)下P=0的第u1分支的溫度均值估計量；

基于歷史數(shù)據(jù)的負(fù)荷為Px時，各相第1～8分支估計特征量計算如表2。

表2

（3）根據(jù)發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取該機(jī)組負(fù)荷為Px時刻下機(jī)組定子繞組溫度等數(shù)據(jù)，以u1為例，按下式計算u相第1～8分支溫度特征量；

基于歷史數(shù)據(jù)和某時刻負(fù)荷為Px時測點數(shù)據(jù)，計算各相第1～8分支特征量計算如表3：

表3

3.3.2 特征量分析判斷

可視化呈現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組各分支溫度特征量數(shù)據(jù)總體形貌。

將發(fā)電機(jī)運行負(fù)荷為Px下的定子各支路溫度特征量與發(fā)電機(jī)停機(jī)態(tài)下相應(yīng)特征量進(jìn)行比較，u相第1支路，u相第8支路,可初步診斷該發(fā)電機(jī)機(jī)組u相第1和第8支路存在過熱現(xiàn)象，需進(jìn)一步核查。

圖2

4 結(jié)論與展望

發(fā)電機(jī)監(jiān)測溫度出現(xiàn)異常狀況時，及時診斷判明原因、有計劃地安排檢修、避免發(fā)生事故是發(fā)電機(jī)組安全運行的重要保障[5]。對于定子槽數(shù)多，繞組支路長、支路多的大型水輪發(fā)電機(jī)，定子繞組溫度就有上百個測點數(shù)據(jù)變量，其數(shù)據(jù)維度的高度復(fù)雜性和數(shù)據(jù)質(zhì)量不確定性，單一測點的數(shù)據(jù)變化不應(yīng)作為設(shè)備診斷的單一指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和測點布置提取或構(gòu)造相應(yīng)特征量進(jìn)行分析。發(fā)電機(jī)運行溫度如何結(jié)合其他在線監(jiān)測數(shù)據(jù)（如發(fā)電機(jī)局放在線監(jiān)測、定子鐵心振動、發(fā)電機(jī)鐵心溫度、冷卻裝置運行情況等）進(jìn)行綜合絕緣評估也是后續(xù)數(shù)據(jù)分析策略研究的方向。此外，目前行業(yè)內(nèi)對空冷式水輪發(fā)電機(jī)定子繞組運行溫度監(jiān)測的方式還是通過預(yù)埋在定子槽繞組或繞組線棒間的溫度傳感器或熱電偶進(jìn)行間接監(jiān)測，隨著先進(jìn)檢測監(jiān)測技術(shù)（如紅外成像分析）、現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展, 如何利用現(xiàn)有預(yù)埋測溫電阻進(jìn)行溫度監(jiān)測的方式和先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)相融合，進(jìn)一步提高監(jiān)測和分析的準(zhǔn)確度也是今后研究的難點和重點。