基于數(shù)據(jù)分析的發(fā)電機(jī)定子鐵芯絕緣故障檢測方法

張 宏，吳明波，張興明，王 江，楊昶宇

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子組成，其中定子由鐵芯、線棒、機(jī)座等組成。定子鐵芯是定子的重要部件，也是電機(jī)磁路的主要組成部分。它是由扇形片、通風(fēng)槽片、定位筋、上下齒壓板、拉緊螺栓及托板等零件組成。定子鐵芯是用硅鋼片沖成扇形片疊裝于定位筋上，定位筋通過托板焊于機(jī)座環(huán)板上，并通過上、下齒壓板用拉緊螺栓將鐵芯壓緊成整體而成。鐵芯也是安放繞組的部分，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，鐵芯將受到機(jī)械力、熱應(yīng)力及電磁力的綜合作用。鐵芯的作用是為發(fā)電機(jī)提供磁回路，同時固定線棒。鐵芯為0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊成，硅鋼片涂有絕緣漆膜，通過鐵芯穿心螺桿緊固在一起。

由于沖頭和沖模之間必須有間隙，在沖剪時模具的刃口處產(chǎn)生剪切和彎曲，因此沖片的一邊總是有毛刺[1]，即使在新模具開始使用時也存在，有時沖片的毛刺最大可達(dá)0.08mm左右。扇形沖片在除去毛刺后即進(jìn)行絕緣，即將扇形沖片在涂漆機(jī)上涂上一層硅鋼片漆，常用牌號有1611號漆，屬于A級。F級牌號為133號漆，漆膜厚度在0.015～0.02mm范圍內(nèi)。扇形沖片的絕緣用來限制鐵芯中的軸向/徑向渦流。

定子鐵芯是發(fā)電機(jī)故障的頻發(fā)部件，主要原因是定子鐵芯疊片間的絕緣漆膜易損壞，疊片間短路，疊片與緊固棒形成閉合回路，產(chǎn)生渦流電流，導(dǎo)致鐵芯局部過熱[2]。鐵芯疊片間短路的原因主要有以下三點(diǎn)：①硅鋼片邊緣有毛刺或漆膜質(zhì)量差，造成鐵芯間絕緣不滿足要求，造成鐵芯短路[3]；②硅鋼片壓裝不到位或長期運(yùn)行后松動，導(dǎo)致硅鋼片振動，長時間運(yùn)行使鐵芯疊片磨損、絕緣損壞；③發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，有金屬顆粒等質(zhì)地堅硬的物體落入發(fā)電機(jī)定子鐵芯中，導(dǎo)致疊片間絕緣損壞。目前沒有發(fā)動機(jī)鐵芯在線監(jiān)測的裝置或系統(tǒng)，無法在線檢測發(fā)電機(jī)定子鐵芯絕緣故障，當(dāng)鐵芯絕緣發(fā)生故障時，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能正常工作[4]。因此，有必要對現(xiàn)有技術(shù)加以改進(jìn)。

1 基于數(shù)據(jù)分析的檢測發(fā)電機(jī)絕緣故障的原理及步驟

發(fā)電機(jī)的線棒固定在定子鐵芯疊片內(nèi)，當(dāng)發(fā)電機(jī)鐵芯絕緣出現(xiàn)故障時，會造成鐵芯溫度局部升高[5]。但是發(fā)電機(jī)定子鐵芯垂直振動大（或超標(biāo)）、定子線棒發(fā)熱等因素也會造成鐵芯溫度升高[6]。因此只有當(dāng)同時滿足：鐵芯溫度偏差值大于設(shè)定相鄰鐵芯間的正常溫度偏差值、定子鐵芯溫度最大值大于線棒溫度最大值、鐵芯垂直振動峰峰值小于設(shè)定鐵芯正常垂直振動峰峰值，這三個條件時，才能判定為鐵芯絕緣發(fā)生故障[7]。具體步驟如下：

（1）設(shè)定水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的相鄰鐵芯之間的溫度偏差值為T芯差正，鐵芯正常最大溫度值為T芯大正，線棒正常最大溫度值為T棒大正，鐵芯正常垂直振動峰峰值為S芯振正。

（2）通過水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的溫度傳感器及其相連的計算機(jī)和機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)，獲取各鐵芯溫度值、線棒溫度值和鐵芯垂直振動峰峰值。

（3）根據(jù)步驟（2）獲取的各個鐵芯溫度值，按式（1）計算各相鄰鐵芯間的溫度差值：

其中：

T1～Tn表示計算機(jī)獲取的1～n號鐵芯溫度；

t1=|T2-T1|表示1～2號鐵芯的溫度差絕對值；

t2=|T3-T2|表示2～3號鐵芯的溫度差絕對值；

T3=|T4-T3|表示3～4號鐵芯的溫度差絕對值；

…

Tn-1=|Tn-Tn-1|表示（n-1）～n號鐵芯的溫度差絕對值；

tn=|T1-Tn|表示1～n號鐵芯的溫度差絕對值。

取最大溫度差絕對值作為監(jiān)視量。

（4）根據(jù)步驟（2）獲取的各個鐵芯溫度，找出鐵芯最大溫度值。

（5）根據(jù)步驟（2）獲取的各個線棒溫度值，找出線棒最大溫度值。

（6）根據(jù)步驟（3）～（5）的數(shù)據(jù)進(jìn)行下列比對：

步驟（3）的相鄰鐵芯間的最大溫度偏差絕對值tn＞設(shè)定相鄰鐵芯間的正常溫度偏差值T芯差正；

步驟（4）獲取的鐵芯溫度最大值 ＞ 步驟（5）獲取的線棒最大溫度值；

步驟（2）獲取的鐵芯垂直振動峰峰值＜設(shè)定鐵芯正常垂直振動峰峰值S芯振正；

檢測出水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯絕緣故障。

（7）根據(jù)步驟（6）的檢測結(jié)果，制定檢修、處理措施，以便在檢修時對故障的鐵芯進(jìn)行修復(fù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

以某電廠為例，機(jī)組為立式水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為傘式，發(fā)電機(jī)額定容量為250MW，定子鐵芯內(nèi)徑11.2m，定子鐵芯高1.8m，配置12只空氣冷卻器。線棒、鐵芯溫度傳感器為PT100，溫度信號上送計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。鐵芯振動傳感器采樣低頻速度傳感器經(jīng)在線監(jiān)測采集箱進(jìn)行采集、計算。以2019年3月4號水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況為例進(jìn)行實(shí)際檢測，該機(jī)組的鐵芯測溫點(diǎn)共有20個，并按1～20的順序編號，線棒測溫點(diǎn)共有20個，并按1～20的順序編號，鐵芯垂直振動測點(diǎn)1個，包括下列步驟：

（1） 設(shè)定水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的相鄰鐵芯之間的溫度偏差值為T鐵芯偏差= 9℃，鐵芯正常最大溫度值為T芯大正=90℃，線棒正常最大溫度值為T棒大正=100℃，鐵芯正常垂直振動峰峰值為S鐵芯正=80μm。

（2） 通過水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的溫度傳感器及其相連的計算機(jī)、機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取各鐵芯、線棒溫度值和鐵芯垂直振動峰峰值。鐵芯、線棒溫度值見表1。

表1 鐵芯、線棒溫度值Table 1 temperature value of iron core and bar

鐵芯垂直振動為17.7μm。

（3） 根據(jù)步驟（2）獲取的各個鐵芯溫度值，按式（2）計算各相鄰鐵芯之間的溫度偏差值：

其中：

鐵芯溫度偏差值見表2。

表2 鐵芯溫度偏差值Table 2 core temperature difference

取最大溫度差絕對值11.2℃作為監(jiān)視量。

（4） 根據(jù)步驟（2）獲取的各個鐵芯溫度，找出最大溫度值為10號鐵芯溫度67.0℃。

（5） 根據(jù)步驟（2）獲取的各個線棒溫度值，找出最大溫度值為4號線棒溫度65.1℃。

（6） 根據(jù)步驟（3）～（5）獲得的下列計算數(shù)據(jù)進(jìn)行下列比對：

步驟（3）的相鄰鐵芯間的溫度差值11.2℃＞設(shè)定溫度差值9℃；

步驟（4）獲取的鐵芯溫度最大值67.0℃ ＞ 步驟（5）獲取的線棒最大溫度值65.1℃；

步驟（2）獲取的鐵芯垂直振動峰峰值17.7μm ＜ 設(shè)定鐵芯正常垂直振動峰峰值S芯振正（80μm）。

檢測出水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯絕緣故障。

（7） 根據(jù)步驟（6）的檢測結(jié)果，制定檢修、處理措施，對故障的鐵芯進(jìn)行修復(fù)。

（8） 鐵芯絕緣修復(fù)后，再次通過水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的溫度傳感器及其相連的計算機(jī)、機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取各鐵芯、線棒溫度值和鐵芯垂直振動峰峰值。檢修后的鐵芯溫度、線棒溫度見表3。

表3 檢修后的鐵芯、線棒溫度值Table 3 temperature of iron core and bar after maintenance

鐵芯垂直振動為17.7μm。

（9） 根據(jù)步驟（8）獲取的各個鐵芯溫度值，再次計算各相鄰鐵芯之間的溫度偏差值，見表4。

表4 檢修后鐵芯溫度偏差值Table 4 temperature deviation of iron core after maintenance

（10）檢修后鐵芯最大溫度58.3℃，小于線棒最大溫度65.6℃；鐵芯垂直振動17.7μm小于設(shè)定鐵芯正常垂直振動峰峰值S芯振正= 80μm，鐵芯最大溫差值為2.3℃小于設(shè)定值9℃。

3 結(jié)論

通過發(fā)電機(jī)定子鐵芯絕緣故障的實(shí)時檢測，能夠自動、準(zhǔn)確檢測發(fā)動機(jī)鐵芯的絕緣是否正常，為檢修、維護(hù)提供參考和指導(dǎo)，不需要人員手動進(jìn)行分析，降低了人員勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，同時也避免了因分析人員專業(yè)技術(shù)差異造成的分析結(jié)果差異，有助于提高分析質(zhì)量。當(dāng)發(fā)電機(jī)鐵芯發(fā)生輕微故障時，即能夠提前進(jìn)行預(yù)警，防止故障擴(kuò)大，減少因故障擴(kuò)大搶修造成的經(jīng)濟(jì)損失。按照單機(jī)容量70萬kW計算，每多停機(jī)1小時，損失為14萬元，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。