風力發電機定子可更換測溫元件安裝方案設計

黃成勇，郭宇軒

風力發電機定子可更換測溫元件安裝方案設計

黃成勇1,2，郭宇軒1,2

（1. 海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭 411101；2. 湖南湘電動力有限公司，湖南湘潭 411101）

為解決風力發電機定子測溫元件更換難的問題，設計了五種可更換測溫元件的安裝方案。安裝后對風力發電機分別進行了穩態溫升試驗，將得到的結果與傳統安裝方案所得結果進行對比，得到了兩種測溫效果較好的測溫元件安裝方案。最后針對這兩種方案進行了現場試驗，結果表明：定子鐵芯齒部安裝方案與定子繞組端部安裝方案的測溫效果較好，只需在使用時適當調整定子監測報警溫度，即可對發電機定子繞組溫度起到較好的監控效果，有效提高了風力發電機定子溫度檢測系統的可靠性與可維修性，具有較好的應用價值。

風力發電機 測溫元件 安裝方案

0 引言

隨著環境問題的日益加劇，使用污染較少的清潔能源已經成為未來的趨勢[1-2]，其中風力發電技術較為成熟，因此得到了廣泛的應用[3]。風力發電機是風力發電機組的核心部件，其運行時會產生熱量導致其溫度升高，若發電機溫升過高容易導致絕緣燒毀、磁鋼失磁等故障[4]，因此對發電機運行時的溫度監測是必不可少的。

發電機常用的測溫元件是Pt100[5]。定子測溫Pt100傳統的安裝方案是：分主用和備用2組元件，在定子制造過程中預先埋置在定子繞組層間絕緣中，與定子一起經過浸漆、烘焙后固定[6]。此方案可將測溫元件直接安裝在溫升最高的位置，因此溫度監測效果很好。但是一旦測溫元件損壞失效則無法直接拆除和更換，同時由于測溫元件的壽命遠低于發電機的使用壽命，因此測溫元件老化失效成為了不可避免的問題。

為此，本文根據風力發電機定子的結構特點，設計了五種可更換測溫元件的安裝方案，對各安裝方案進行了穩態溫升試驗，并對比其測溫效果，對其中測溫效果較好的定子鐵芯齒部安裝方案與定子繞組端部安裝方案進行了現場試驗，結果證明兩方案均具有較好的應用價值。

1 安裝方案設計

首先選取五個測溫元件的安裝位置，分別為：定子鐵芯齒部、定子壓圈端面、定子鐵芯槽口、定子繞組并頭與定子繞組端部，并對上述五個位置設計安裝方案。

1.1 定子鐵芯齒部安裝方案

首先當定子鐵芯制作時在其齒部加工圓形安裝孔（孔直徑3 mm，孔與齒部槽壁最薄處間隔0.6 mm～0.8 mm），在發電機浸漆前對安裝孔進行防護，并在定子裝配時將圓柱形測溫元件置入安裝孔底部，固定后將其信號線引接至發電機接線盒內，安裝示意圖如圖1所示。

圖1 定子鐵芯齒部安裝方案示意圖

1.2 定子壓圈端面安裝方案

首先當定子鐵芯制作時在其定子壓圈端面加工圓形安裝孔（孔直徑5 mm，孔深至定子鐵芯沖片內部30 mm），在浸漆前對安裝孔進行防護，并在定子裝配時將圓柱形測溫元件置入安裝孔底部，固定后將其信號線引接至發電機接線盒內，安裝示意圖如圖2所示。

1.3 定子鐵芯槽口安裝方案

在定子裝配時將扁平矩形測溫元件置入鐵芯槽口內部，固定并壓實測溫元件，使測溫元件貼緊槽口內側，并將其信號線引接至發電機接線盒內，安裝示意圖如圖3所示。

圖2 定子壓圈端面安裝方案示意圖

圖3 定子鐵芯槽口安裝方案示意圖

1.4 定子繞組并頭安裝方案

定子裝配時，在定子繞組引出線的并頭端部鉆圓形安裝孔（孔直徑3 mm），并在安裝孔內置入圓柱狀測溫元件，固定后將其信號線引接至發電機接線盒內，安裝示意圖如圖4所示。

圖4 定子繞組并頭安裝方案示意圖

1.5 定子繞組端部安裝方案

定子裝配時，在定子繞組端部綁扎安裝扁平矩形測溫元件，包覆固定后將其信號線引接至發電機接線盒內，安裝示意圖如圖5所示。

圖5 定子繞組端部安裝方案示意圖

2 試驗分析

為比較上述五種安裝方案的效果，選取同型號風力發電機進行五組溫升試驗，試驗平臺如圖6所示。

圖6 發電機溫升實驗平臺

其中每臺風力發電機分別按上文中五個方案安裝測溫元件，同時每臺均按照傳統測溫元件安裝方案，在每相定子繞組層間絕緣中埋置2組測溫元件。

試驗時發電機以額定工況運行，從試驗開始每隔15 min分別記錄各測溫元件數據，直至溫升穩定，試驗所得溫度數據分別如表1～表5所示，表中僅列出了溫升穩定前1 h的溫度數據。

表1 定子鐵芯齒部安裝方案與傳統方案溫度數據

表2 定子壓圈端面安裝方案與傳統方案溫度數據

表3 定子鐵芯槽口安裝方案與傳統方案溫度數據

表4 定子繞組并頭安裝方案與傳統方案溫度數據

表5 定子繞組端部安裝方案與傳統方案溫度數據

對比表1～5，定子鐵芯齒部安裝方案，定子壓圈端面安裝方案，定子鐵芯槽口安裝方案，定子繞組并頭安裝方案，定子繞組端部安裝方案與傳統平均方案相比的平均溫差分別為11.6，30.2，23.4，24.8，20.7。

表6中平均溫差數據表明，定子鐵芯齒部安裝方案與傳統測溫元件安裝方案相比溫差最小，為11.6℃；其次是定子繞組端部安裝方案，為20.7℃。該兩方案是五種安裝方案中與傳統測溫元件安裝方案相比測溫溫差最小的。只要能夠保證發電機在不同運行狀態下該溫差相對穩定，就說明兩方案都具有一定的實用性。

為確保上述兩種方案測溫效果的穩定性，于2020年11月在廣東桂山項目風電場選擇2臺機組進行了現場試驗。這兩臺機組的發電機，在生產制造時按照方案預先在定子鐵芯齒部與定子繞組端部加裝測溫元件，并得到了2020年11月至2021年5月內的兩臺機組的定子溫度歷史數據，從中得出兩方案與傳統測溫元件安裝方案的溫差如表7所示。

表6 桂山項目試驗機組不同安裝方案溫差數據

表6數據說明：定子鐵芯齒部安裝方案和繞組端部安裝方案溫差均較為穩定，相比之下前者測溫效果更穩定，但需預先加工安裝孔；后者溫差稍大，但綁扎安裝操作方便。

總而言之，兩方案溫差均在可控范圍，只需在使用時，將監測預警溫度降低一定數值（定子鐵芯齒部安裝方案降低13℃，定子繞組端部安裝方案降低23℃），即可對發電機定子繞組溫度起到較好的監控效果。

3 結論

針對風力發電機定子測溫元件難以更換的問題，設計了五種可更換測溫元件的安裝方案。文中選取了五個測溫元件安裝位置，設計了相應的安裝方案，對各安裝方案進行了穩態溫升試驗，得到了各安裝方案對應的測溫元件讀數，并與傳統測溫元件安裝方案所得結果進行了對比，得到了兩種測溫效果較好的測溫元件安裝方案。最后針對這兩種方案進行了現場試驗，結果表明：定子鐵芯齒部安裝方案與定子繞組端部安裝方案的測溫效果較好，只需在使用時適當降低監測預警溫度值（定子鐵芯齒部安裝方案降低13℃，定子繞組端部安裝方案降低23℃），即可對發電機定子繞組溫度起到較好的監控效果，有效提高了風力發電機定子溫度檢測系統的可靠性與可維修性，具有較好的應用價值。

[1] 安軍, 陳啟鑫, 代飛, 等. 面向大氣污染防治的電力綠色調度策略研究與實踐[J]. 電網技術, 2021, 45(2): 605-612.

[2] 崔榮國, 郭娟, 程立海, 等. 全球清潔能源發展現狀與趨勢分析[J]. 地球學報, 2021, 42(2): 179-186.

[3] 覃盛瓊, 程朗, 何占啟, 等. 風力發電系統研究與應用前景綜述[J]. 機械設計, 2021, 38(8): 1-8.

[4] 朱高嘉, 劉曉明, 李龍女, 等. 永磁風力發電機風冷結構設計與分析[J]. 電工技術學報, 2019, 34(5): 946-953.

[5] 賀景運, 邊旭, 梁艷萍. 空冷水輪發電機定子冷卻結構設計與分析[J]. 西安交通大學學報, 2019, 53(12): 111-119.

[6] 董改花. 電機繞組溫升的測量與計算[J]. 微特電機, 2011, 39(9): 31-33.

Design for the installation of replaceable temperature measurement elements for wind turbine stator

Huang Chengyong1,2, Guo Yuxuan1,2

（1. Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory, XEMC, Xiangtan 411101, Hunan, China;2. Xiangtan Electric Power Co., Ltd, Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM614

A

1003-4862(2022)06-0053-03

2021-12-23

黃成勇（1984-），男，工程師。研究方向：大功率風力發電機。E-mail: xemc-tdyjshcy@foxmail.com