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(shù)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(fā)電機是水力發(fā)電系統(tǒng)的主設(shè)備，定子繞組是發(fā)電機的重要構(gòu)成，為高壓大電流部位，是發(fā)電機的主要發(fā)熱源，若出現(xiàn)短路或局部絕緣缺陷，其發(fā)熱量將增大，導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步惡化，嚴(yán)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(jìn)行實時溫度監(jiān)測極其重要[1-2]。

定子繞組測溫電阻在發(fā)電機制造時預(yù)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(huán)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(dǎo)線絕緣老化等問題，造成溫度測量不準(zhǔn)確[3-4]。測溫器件損壞后，若需要進(jìn)行更換，則需要拔定子線棒，相當(dāng)于把發(fā)電機全部拆開重裝，定子繞組數(shù)量達(dá)數(shù)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(dǎo)致絕緣損壞、發(fā)電機燒毀，帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失。因此，在實際生產(chǎn)工作中，若發(fā)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?？蛇x擇在定子繞組的其它部位安裝測溫探頭，采取相應(yīng)的補償措施，近似替代原來部位的溫度。

文獻(xiàn)[1]就采用此種方法進(jìn)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(shè)計上各個繞組和槽的形狀、材質(zhì)、發(fā)熱、散熱等完全一致，但是由于生產(chǎn)材料和制造工藝的允許差別范圍內(nèi)，各繞組之間存在一定的差異，又由于發(fā)電機組在強電磁場、高溫、振動、油污等環(huán)境中長期運行，導(dǎo)致定子繞組輕微形變，發(fā)熱、導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)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?qū)Ρ却嬖谂既徽`差，同理同一繞組縱向?qū)Ρ?，也會存在差別，歷史溫度數(shù)據(jù)和改造后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者在時間上相差3年，定子繞組的導(dǎo)熱、散熱系數(shù)等發(fā)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(fā)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(jù)定子繞組溫度場仿真模型，計算其不同部位的溫度差別，當(dāng)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(nèi)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(yù)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(nèi)部的溫度，且損壞的探頭數(shù)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(shù)經(jīng)歷了開發(fā)、試用至商業(yè)化的艱苦歷程，目前已達(dá)到了可大量生產(chǎn)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(huán)境溫度、壓力、應(yīng)力等物理量發(fā)生變化，對傳輸光線的光強、波長、相位等參數(shù)產(chǎn)生影響而發(fā)生變化，從而對應(yīng)檢測出各被測物理量之變化的新型傳感技術(shù)。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(wěn)定性、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長壽命、免維護(hù)。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(nèi)部，而光纖測溫測量定子端部表面。監(jiān)控系統(tǒng)采集正常測溫的鉑電阻探頭及光纖測溫探頭數(shù)據(jù)。

2 溫度場仿真模型建立及修正

電機是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的不均勻發(fā)熱體，其內(nèi)部熱量流動和傳遞的過程很復(fù)雜，這些都影響電機的發(fā)熱計算。計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。利用CFD進(jìn)行定子繞組溫度仿真，根據(jù)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(nèi)部溫差。

根據(jù)定子繞組的電磁方案（各類損耗、結(jié)構(gòu)尺寸）、通風(fēng)系統(tǒng)形式、風(fēng)機參數(shù)、通風(fēng)管路圖、冷卻器參數(shù)、轉(zhuǎn)子支架尺寸、上下游擋風(fēng)板尺寸、磁軛尺寸及通風(fēng)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(jìn)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(huán)境溫度、不同負(fù)荷條件下，定子繞組在運行過程中的熱傳導(dǎo)過程及定子繞組各部件包括定子繞組內(nèi)部、定子端部表面的溫度分布。根據(jù)此模型可以計算某一工況下每一根定子繞組內(nèi)部和表面端部的溫度差值。

在一定的環(huán)境溫度、負(fù)荷條件下，某一根定子繞組內(nèi)部、端部表面溫度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)差值，與三維溫度場仿真模型中此根定子繞組內(nèi)部和表面溫度差值進(jìn)行比對，若兩差值相同，則此處三維溫度場準(zhǔn)確，若差值不相等，則以實際測量的差值為準(zhǔn)，對三維溫度場模型進(jìn)行修正，主要修正導(dǎo)熱系數(shù)（與設(shè)備長期運行強磁場、高溫環(huán)境、老化等相關(guān)），建立與現(xiàn)場設(shè)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(shù)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(huán)境溫度及機組負(fù)荷相關(guān)性大，根據(jù)三維溫度場仿真模型，以定子繞組外部環(huán)境溫度、機組負(fù)荷為邊界條件（變量），建立定子繞組溫度修正值的二維數(shù)組，反映新增探頭溫度和對應(yīng)的定子繞組原來探頭處的溫度差值的一一對應(yīng)關(guān)系，將此二維數(shù)組作為計算關(guān)系植入到發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采集定子繞組外部環(huán)境溫度、機組負(fù)荷、新增光纖探頭溫度，根據(jù)前兩個邊界條件，查找二維數(shù)組可以得到繞組溫度的修正值，與新增光纖探頭溫度結(jié)合，就可以計算出原定子繞組內(nèi)部探頭處的溫度。

根據(jù)三維溫度場仿真模型，統(tǒng)計新增的溫度測點A在不同溫度、負(fù)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(fù)荷條件下與原探頭安裝處的溫度差值

建立二維數(shù)組，如下。

同理，在新的溫度測點B、C、D等建立二維數(shù)組。

上述數(shù)組做成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，植入到發(fā)電機計算機監(jiān)控中，監(jiān)控系統(tǒng)采集環(huán)境溫度及負(fù)荷大小，首先進(jìn)行邊界條件的約算，即將邊界條件數(shù)值就近原則與表1中數(shù)值進(jìn)行對應(yīng)，如21.2℃，約算為22℃，負(fù)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(jié)語

三維溫度場仿真可以對定子繞組的通風(fēng)、散熱情況進(jìn)行模擬，可建立定子繞組內(nèi)部溫度與端部溫度隨環(huán)境溫度及負(fù)荷變化的關(guān)系表?；诙S數(shù)組的溫度場修正方法融入監(jiān)控系統(tǒng)后，將可實現(xiàn)定子繞組溫度的修正，提高溫度測量的準(zhǔn)確度。