湖南五凌电力科技有限公司 湖南省水电智慧化工程技术研究中心 姜 运 万 元 潘平衡

五凌电力有限公司株溪口水电厂 申潘威 刘 禹 刘 洋

发电机是水力发电系统的主设备，定子绕组是发电机的重要构成，为高压大电流部位，是发电机的主要发热源，若出现短路或局部绝缘缺陷，其发热量将增大，导致缺陷进一步恶化，严重时将损坏定子绕组，造成机组停运，因此对定子绕组线圈进行实时温度监测极其重要[1-2]。

定子绕组测温电阻在发电机制造时预埋在定子绕组上层线棒与下层线棒的层间绝缘层中，由于长期运行在恶劣的环境中，如高温、振动、油腐蚀等，造成测温传感器元件损坏、电缆折断、导线绝缘老化等问题，造成温度测量不准确[3-4]。测温器件损坏后，若需要进行更换，则需要拔定子线棒，相当于把发电机全部拆开重装，定子绕组数量达数百，施工工艺难度大，时间、人力、物力、财力耗费极大，若工艺不到位，定子绕组运行一段时间后可能导致绝缘损坏、发电机烧毁，带来巨额经济损失。因此，在实际生产工作中，若发电机仅有温度探头损坏，基本不采取上述方式解决定子测温问题。可选择在定子绕组的其它部位安装测温探头，采取相应的补偿措施，近似替代原来部位的温度。

文献[1]就采用此种方法进行修正，但是仍然存在一定的误差。主要原因分析如下：采用一个定子槽（218槽）的温度差值，作为其它新增温度探头的修正值，存在偶然误差。定子线圈虽然在设计上各个绕组和槽的形状、材质、发热、散热等完全一致，但是由于生产材料和制造工艺的允许差别范围内，各绕组之间存在一定的差异，又由于发电机组在强电磁场、高温、振动、油污等环境中长期运行，导致定子绕组轻微形变，发热、导热系数发生改变等，加速了各绕组温度分布的不一致性。因此，218号定子槽的温度差值，代替所有新增温度探头的差值参与计算，存在一定的误差。不同绕组横向对比存在偶然误差，同理同一绕组纵向对比，也会存在差别，历史温度数据和改造后的温度数据进行对比，两者在时间上相差3年，定子绕组的导热、散热系数等发生变化，即使在所有外部条件都一致的情况下，定子绕组相同部位温度也可能发生变化，而论文中的是假定218号槽定子绕组在改造前后完全一致，存在一定的误差。

基于上述分析，论文提出了一种基于定子绕组三维温度场的定子绕组温度修正方法。根据定子绕组温度场仿真模型，计算其不同部位的温度差别，当新的探头安装在定子绕组其他部位时，也可通过换算得到绕组内部的温度。

1 温度探头的选择及布置

定子绕组运行10余年，原有的测温电站预埋在上、下层线棒中间，共有18只铂电阻探头，已部分损坏，仅剩11只探头能够正确反映定子线棒内部的温度，且损坏的探头数量有上升的趋势。

鉴于铂电阻探头易损坏、容易受电磁干扰的状况，寻找一种更耐用、长寿命、测量温度的测温探头。光纤传感器自60年代第一次用于温度测量以来，光纤传感技术经历了开发、试用至商业化的艰苦历程，目前已达到了可大量生产用于各种目的的成熟的商品化阶段。光纤传感器是利用光在光纤中传输时，由外界环境温度、压力、应力等物理量发生变化，对传输光线的光强、波长、相位等参数产生影响而发生变化，从而对应检测出各被测物理量之变化的新型传感技术。光纤传感器主要有如下特点：抗电磁干扰、高绝缘强度、高可靠性/稳定性、高精度、高灵敏度、微小尺寸、长寿命、免维护。因此选择光纤测温探头。

在不破坏定子绕组绝缘的前提下布置测温探头，探头的位置仅能选择定子绕组绝缘表面，为了安装施工方便，可选择定子端部靠近绝缘盒的位置。在定子绕组端部表面布置若干只光纤测温探头，用以测量定子表面的温度，其所在的绕组位置与铂电阻相同，只是铂电阻测量的是定子内部，而光纤测温测量定子端部表面。监控系统采集正常测温的铂电阻探头及光纤测温探头数据。

2 温度场仿真模型建立及修正

电机是一种结构非常复杂的不均匀发热体，其内部热量流动和传递的过程很复杂，这些都影响电机的发热计算。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。利用CFD进行定子绕组温度仿真，根据边界条件求解温度方程，获得不同工况下定子绕组表面和内部温差。

根据定子绕组的电磁方案（各类损耗、结构尺寸）、通风系统形式、风机参数、通风管路图、冷却器参数、转子支架尺寸、上下游挡风板尺寸、磁轭尺寸及通风孔分布、磁极尺寸、上下游端部空间尺寸、基座尺寸、定子尺寸、空冷器进水温度、冷却套尺寸等，建立定子绕组三维温度场仿真模型，模拟不同环境温度、不同负荷条件下，定子绕组在运行过程中的热传导过程及定子绕组各部件包括定子绕组内部、定子端部表面的温度分布。根据此模型可以计算某一工况下每一根定子绕组内部和表面端部的温度差值。

在一定的环境温度、负荷条件下，某一根定子绕组内部、端部表面温度数据数据差值，与三维温度场仿真模型中此根定子绕组内部和表面温度差值进行比对，若两差值相同，则此处三维温度场准确，若差值不相等，则以实际测量的差值为准，对三维温度场模型进行修正，主要修正导热系数（与设备长期运行强磁场、高温环境、老化等相关），建立与现场设备运行实际情况更为匹配的三维温度场仿真模型。

图1 满载运行时定子部分温升分布

3 基于二维数组的定子绕组温度修正方法

定子绕组的三维温度场与周围环境温度及机组负荷相关性大，根据三维温度场仿真模型，以定子绕组外部环境温度、机组负荷为边界条件（变量），建立定子绕组温度修正值的二维数组，反映新增探头温度和对应的定子绕组原来探头处的温度差值的一一对应关系，将此二维数组作为计算关系植入到发电机组监控系统。监控系统采集定子绕组外部环境温度、机组负荷、新增光纤探头温度，根据前两个边界条件，查找二维数组可以得到绕组温度的修正值，与新增光纤探头温度结合，就可以计算出原定子绕组内部探头处的温度。

根据三维温度场仿真模型，统计新增的温度测点A在不同温度、负荷条件下，光纤探头温度与原探头安装处的温度差值，如表1。

表1 新增温度测点A在不同温度、负荷条件下与原探头安装处的温度差值

建立二维数组，如下。

同理，在新的温度测点B、C、D等建立二维数组。

上述数组做成结构化数据，植入到发电机计算机监控中，监控系统采集环境温度及负荷大小，首先进行边界条件的约算，即将边界条件数值就近原则与表1中数值进行对应，如21.2℃，约算为22℃，负荷22%，约算为22.5%，然后自动查表，获取修正值。最后，将修正值与定子表面温度值叠加，就可以实时修正每一个损坏的温度测点的温度。

4 结语

三维温度场仿真可以对定子绕组的通风、散热情况进行模拟，可建立定子绕组内部温度与端部温度随环境温度及负荷变化的关系表。基于二维数组的温度场修正方法融入监控系统后，将可实现定子绕组温度的修正，提高温度测量的准确度。