水电厂发电机定子绕组、铁芯温度趋势分析

柏文珺，高 凡，李 宁

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

水轮发电机是水电厂极其重要的一次设备，在其进行检修后，对其进行评估有助于分析其检修效果与运行稳定性。A厂3号机组2019年下半年开始扩修改造，定子更换了除机座以外的全部部件，并进行重新装配。因此，分析定子绕组和定子铁芯在检修前后的运行情况是评估机组检修质量的重要参考依据。

目前，对于水轮发电机定子部分运行状况的研究主要集中在其运行温度是否超过国标[1]规定的上限值，文献2、3分别从不同的角度研究定子温度过高的原因以及如何降低定子温度，并没有关注温升率的变化情况[2-3]。而定子个别部分的温度变化程度大，可能会影响相应部位的绝缘性能，加速绝缘老化[4]，同时，对发电机运行状态的监测和故障诊断产生错误引导[5]，可能会影响相应部位的绝缘性能，甚至由于温差过大，使得其结构发生一定的变化，从而危及机组的稳定运行。

本文选取机组检修前与检修后的监控运行实际数据，分别选取某段机组带相同有功、无功、水头相同的运行数据。通过采集该段时间内4组定子绕组和2组定子铁芯测点在负荷调整后6 h内的温度数据，对比两个时间段温度变化曲线、最高值以及温升率曲线。通过三个指标的对比分析能够更有效的评估检修质量，能够为A厂其他机组的扩修改造提供数据和理论依据。

1 定子绕组温度分析

1.1 数学模型与数据采集

选取A厂3号机组定子绕组温度最高的4个测点，定子铁芯温度最高的2个测点在100、300、400 WM三个运行工况下，记录机组在负荷调整后并稳定6 h内的监控系统数据用于分析和对比。

T(t)=f(t)

其中，T(t)、f(t)分别为时刻t时的温度值、温度变化函数。

根据上述公式绘制温度随时间变化的温度变化曲线图，直观对比各测点的温度变化情况。

为进一步研究温度变化规律，本文采用温升率来进行研究。温升率是指在单位时间内温度变化的程度，其数学表达式为

式中：Tf为温升率；Tn为某测点的温度值；Tn-1为该测点前一个单位时间的温度值；Δt为单位时间段。

为便于计算和比较，本文选取的时间段为1 h，即1 h内温度变化的数值，单位为℃/h。

1.2 对比分析

1.2.1 100 WM工况

根据监控系统所得检修前(2019年)和检修后(2020年)(下同)3号机组数据所绘制100 WM工况下定子绕组温度变化曲线如图1所示。

图1 100 MW各绕组温度变化曲线图

从图1中可知，检修后3号机组在100 WM运行工况时各绕组温度最大值有明显降低，4个绕组测点平均降低6.8℃，17号绕组测点温度下降最大，达7.4℃。对比温度曲线可知，各绕组温度变化曲线波动趋于一致，温度波动幅度有一定的缩小，曲线更加平滑、稳定，各绕组温度趋于稳定的时间相较于检修前缩短，其温升率如表1所示。

从表1可知，在100 WM工况下，定子绕组温度在负荷调整后能够迅速稳定，其后有小范围的波动，检修前后进行对比发现，温度的温升率变化值相差较小，但检修后定子绕组各测点的温升率变化趋于一致。

表1 100 WM机组定子绕组温升率表

1.2.2 300 WM工况

根据监控系统所得数据所绘制300 WM工况下定子绕组温度变化曲线如图2所示。

图2 300 MW各绕组温度变化曲线图

对比图2所示各项数据可知，定子绕组在300 WM工况下，检修后各测点的最高温度均低于检修前，平均下降5.3℃，其中22号绕组降幅最大，达7.2℃。在机组负荷调整后，绕组温度有一个明显的上升趋势，2 h后曲线渐变平缓，斜率降低。对比检修前后温度曲线可得出，检修后的温度曲线比检修前更为平滑，曲线趋于水平所需时间更短，各绕组测点变化趋势一致，如表2所示。

对比表2温升率可知，在机组负荷调整后2 h内，绕组温度上升明显，检修前温升率幅值在2℃/h以上，在2～5 h内温升率降低至1～2℃/h，5 h后进入稳定区间，温升率小于1℃/h，但各绕组温度仍存在波动，而且其温升率变化幅值和方向均不相同。检修后的温升率变化明显低于检修前，在负荷整后2 h内，温升率幅值在1.5℃/h以下，3 h后温度迅速趋于稳定，温升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐渐降低，趋于0值，同时各绕组温升率变化幅值相近，方向一致。

表2 300 WM机组定子绕组温升率表

1.2.3 400 WM工况

根据监控系统所得数据所绘制400 WM工况下定子绕组温度变化曲线如图3所示。

图3 400 MW各绕组温度变化曲线图

对比图3所示各项数据可知，定子绕组在400 WM工况下，检修后各测点的最高温度均低于检修前，平均下降7.1℃，其中22绕组号降幅最大，达8.4℃。并且，检修前17号绕组测点的温度明显低于其他3个测点，差值将近10℃，查询该测点其他时间段的数据发现，该测点的温度在检修前与本次测点情况一致，均略低于其他测点，排除本次数据采集有误情况。对比温度变化曲线可知，在机组负荷调整后，绕组温度有一个明显的上升趋势，3 h后曲线渐变平缓，斜率降低。对比检修前后的温度曲线可知，检修后的温度曲线比检修前更为平滑，曲线趋于水平所需的时间更短，各绕组测点变化趋势一致，没有出现检修前某一绕组与其他绕组温差明显的情况，如表3所示。

表3 400 WM机组定子绕组温升率表

对比表3温升率值可知，在机组负荷调整后2 h内，绕组温度上升明显，检修前温升率幅值在2℃/h以上，在2～4 h内温升率降低至0.05～1.5℃/h，4 h后进入稳定区间，温升率小于0.2℃/h，但各绕组温度仍存在波动，而且其温升率变化幅值和方向基本一致。检修后的温升率变化明显低于检修前，在负荷整后2 h后温度迅速趋于稳定，温升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐渐降低，趋于0值，同时，各绕组的温升率变化幅值相近，方向一致。

1.2.4 同绕组不同负荷段温升率

根据测点数据，选取14号定子绕组测点检修后的数据进行不同负荷段温升率变化分析，如表4所示。

表4 14号定子绕组不同负荷段温升率表

从表4可知，14号绕组的温升率并不是随着负荷的增大而增加，而是在100 WM负荷段和400 WM负荷段的温升率要明显小于300 WM负荷段，且趋于稳定的时间也较小。考虑300 WM的负荷段靠近机组的振动区，可能导致该负荷段温升率相对其他负荷段较高。在另外两个负荷段，温升率随负荷增大而增加。

2 定子铁芯温度对比分析

2.1 100 WM工况

根据100 WM工况下定子铁芯温度数据，绘制其温度变化曲线如图4所示。

图4 100 MW各铁芯温度变化曲线图

从图4中可知，3号机组在100 WM运行工况下，各定子铁芯温度最大值相较检修前有明显降低，2个绕组测点平均降低5.4℃。对比温度曲线可知，各测点温度变化曲线形状趋于一致，温度波动幅度有一定缩小，曲线更加平滑、稳定，各绕组温度趋于稳定的时间相较于检修前缩短，且没有出现检修前温度变化趋势不同的情况，如表5所示。

表5 100 WM机组定子铁芯温升率表

从表5可知，在100 WM工况下，定子铁芯温度在负荷调整后能够迅速稳定，其后基本没有太大的波动，检修前后定子铁芯温升率变化值没有太大的差距。

2.2 300 WM工况

根据监控系统所得数据所绘制300 WM工况下定子铁芯温度变化曲线如图5所示。

图5 300 MW各铁芯温度变化曲线图

对比图5所示各项数据可知，定子铁芯在300 WM工况下，检修后各测点的最高温度较大幅度降低，选取的两个测点分别降低了10.3℃和13.5℃，且两测点之间的温度差距较小。对比温度变化曲线可知，在机组负荷调整后，绕组温度有一个明显的上升区间，2 h后曲线渐变平缓，斜率降低。检修后的温度曲线比检修前更为平缓，曲线趋于水平所需的更短，各铁芯测点曲线变化一致，如表6所示。

表6 300 WM机组定子铁芯温升率表

对比表6温升率值可知，在机组负荷调整后2 h内，铁芯温度上升明显，检修前温升率幅值在2℃/h以上，在2～3 h内温升率降低至1℃/h以下，3 h后进入稳定区间，温升率小于0.5℃/h，但各绕组温度仍存在波动，且其温升率变化方向不同。检修后的温升率变化明显低于检修前，在负荷整后2 h内，温升率幅值在1.5℃/h以下，3 h后温度迅速趋于稳定，温升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐渐降低，趋于0值，同时，各测点的温升率变化幅值相近，方向一致。

2.3 400 WM工况

根据监控系统所得数据所绘制400 WM工况下定子铁芯温度变化曲线如图6所示。

对比图6所示各项数据可知，定子铁芯在400 WM工况下，检修后各测点的最高温度出现大幅度下降情况，2个测点分别降低了18.7℃和23.4℃，且2测点之间的温度差距较小。对比温度变化曲线发现，在机组负荷调整后，铁芯温度曲线在2 h后渐变平缓，斜率降低。检修后的温度曲线比检修前更为平缓，曲线趋于水平所需的更短，各铁芯测点曲线变化一致，如表7所示。

图6 400 MW各铁芯温度变化曲线图

表7 400 WM机组定子铁芯温升率表

对比表7温升率值可知，在机组负荷调整后2 h内，铁芯温度上升明显，检修前温升率幅值在2℃/h以上，在2～3h内温升率降低至1.5℃/h以下，3 h后进入稳定区间，温升率小于0.5℃/h，逐渐趋于0值，但各测点温度仍存在波动，且其温升率变化幅值和方向不同。检修后的温升率变化明显低于检修前，在负荷整后2 h内，温升率幅值在0.5℃/h以下，3 h后温度迅速趋于稳定，温升率趋于0值，同时，各测点的温升率变化幅值相近，方向一致。

2.4 同铁芯测点不同负荷段温升率

根据测点数据，选取9号定子铁芯测点检修后的数据进行不同负荷段温升率变化分析，如表8所示。

表8 9号定子铁芯不同负荷段温升率表

从表8数据可知，9号铁芯测点的温升率并不是随着负荷的增大而增加，而是在100 WM负荷段和400 WM负荷段的温升率要明显小于300 WM负荷段，且趋于稳定的时间也较小。考虑300 WM的负荷段靠近机组的振动区，可能导致该负荷段温升率相对其他负荷段较高。在另外两个负荷段，明显由于负荷较大，温升率也随之提升。

3 结 语

通过对比A厂3号机组检修前后定子绕组和定子铁芯在不同负荷段的温度最大值、温度变化曲线和温升率可以明显看出，检修后的各项数据明显优于检修前，各测点的温度值均存在不同程度的降低，不同测点的温度变化趋势相近，测点之间的温度差距缩小，同时温度趋于稳定的时间更短，在稳定以后，各测点的温升率逐渐趋近于0值。综上所述，本次检修对机组的健康运行起到了积极的作用。