风力发电机定子可更换测温元件安装方案设计

黄成勇，郭宇轩

风力发电机定子可更换测温元件安装方案设计

黄成勇1,2，郭宇轩1,2

（1. 海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭 411101；2. 湖南湘电动力有限公司，湖南湘潭 411101）

为解决风力发电机定子测温元件更换难的问题，设计了五种可更换测温元件的安装方案。安装后对风力发电机分别进行了稳态温升试验，将得到的结果与传统安装方案所得结果进行对比，得到了两种测温效果较好的测温元件安装方案。最后针对这两种方案进行了现场试验，结果表明：定子铁芯齿部安装方案与定子绕组端部安装方案的测温效果较好，只需在使用时适当调整定子监测报警温度，即可对发电机定子绕组温度起到较好的监控效果，有效提高了风力发电机定子温度检测系统的可靠性与可维修性，具有较好的应用价值。

风力发电机 测温元件 安装方案

0 引言

随着环境问题的日益加剧，使用污染较少的清洁能源已经成为未来的趋势[1-2]，其中风力发电技术较为成熟，因此得到了广泛的应用[3]。风力发电机是风力发电机组的核心部件，其运行时会产生热量导致其温度升高，若发电机温升过高容易导致绝缘烧毁、磁钢失磁等故障[4]，因此对发电机运行时的温度监测是必不可少的。

发电机常用的测温元件是Pt100[5]。定子测温Pt100传统的安装方案是：分主用和备用2组元件，在定子制造过程中预先埋置在定子绕组层间绝缘中，与定子一起经过浸漆、烘焙后固定[6]。此方案可将测温元件直接安装在温升最高的位置，因此温度监测效果很好。但是一旦测温元件损坏失效则无法直接拆除和更换，同时由于测温元件的寿命远低于发电机的使用寿命，因此测温元件老化失效成为了不可避免的问题。

为此，本文根据风力发电机定子的结构特点，设计了五种可更换测温元件的安装方案，对各安装方案进行了稳态温升试验，并对比其测温效果，对其中测温效果较好的定子铁芯齿部安装方案与定子绕组端部安装方案进行了现场试验，结果证明两方案均具有较好的应用价值。

1 安装方案设计

首先选取五个测温元件的安装位置，分别为：定子铁芯齿部、定子压圈端面、定子铁芯槽口、定子绕组并头与定子绕组端部，并对上述五个位置设计安装方案。

1.1 定子铁芯齿部安装方案

首先当定子铁芯制作时在其齿部加工圆形安装孔（孔直径3 mm，孔与齿部槽壁最薄处间隔0.6 mm～0.8 mm），在发电机浸漆前对安装孔进行防护，并在定子装配时将圆柱形测温元件置入安装孔底部，固定后将其信号线引接至发电机接线盒内，安装示意图如图1所示。

图1 定子铁芯齿部安装方案示意图

1.2 定子压圈端面安装方案

首先当定子铁芯制作时在其定子压圈端面加工圆形安装孔（孔直径5 mm，孔深至定子铁芯冲片内部30 mm），在浸漆前对安装孔进行防护，并在定子装配时将圆柱形测温元件置入安装孔底部，固定后将其信号线引接至发电机接线盒内，安装示意图如图2所示。

1.3 定子铁芯槽口安装方案

在定子装配时将扁平矩形测温元件置入铁芯槽口内部，固定并压实测温元件，使测温元件贴紧槽口内侧，并将其信号线引接至发电机接线盒内，安装示意图如图3所示。

图2 定子压圈端面安装方案示意图

图3 定子铁芯槽口安装方案示意图

1.4 定子绕组并头安装方案

定子装配时，在定子绕组引出线的并头端部钻圆形安装孔（孔直径3 mm），并在安装孔内置入圆柱状测温元件，固定后将其信号线引接至发电机接线盒内，安装示意图如图4所示。

图4 定子绕组并头安装方案示意图

1.5 定子绕组端部安装方案

定子装配时，在定子绕组端部绑扎安装扁平矩形测温元件，包覆固定后将其信号线引接至发电机接线盒内，安装示意图如图5所示。

图5 定子绕组端部安装方案示意图

2 试验分析

为比较上述五种安装方案的效果，选取同型号风力发电机进行五组温升试验，试验平台如图6所示。

图6 发电机温升实验平台

其中每台风力发电机分别按上文中五个方案安装测温元件，同时每台均按照传统测温元件安装方案，在每相定子绕组层间绝缘中埋置2组测温元件。

试验时发电机以额定工况运行，从试验开始每隔15 min分别记录各测温元件数据，直至温升稳定，试验所得温度数据分别如表1～表5所示，表中仅列出了温升稳定前1 h的温度数据。

表1 定子铁芯齿部安装方案与传统方案温度数据

表2 定子压圈端面安装方案与传统方案温度数据

表3 定子铁芯槽口安装方案与传统方案温度数据

表4 定子绕组并头安装方案与传统方案温度数据

表5 定子绕组端部安装方案与传统方案温度数据

对比表1～5，定子铁芯齿部安装方案，定子压圈端面安装方案，定子铁芯槽口安装方案，定子绕组并头安装方案，定子绕组端部安装方案与传统平均方案相比的平均温差分别为11.6，30.2，23.4，24.8，20.7。

表6中平均温差数据表明，定子铁芯齿部安装方案与传统测温元件安装方案相比温差最小，为11.6℃；其次是定子绕组端部安装方案，为20.7℃。该两方案是五种安装方案中与传统测温元件安装方案相比测温温差最小的。只要能够保证发电机在不同运行状态下该温差相对稳定，就说明两方案都具有一定的实用性。

为确保上述两种方案测温效果的稳定性，于2020年11月在广东桂山项目风电场选择2台机组进行了现场试验。这两台机组的发电机，在生产制造时按照方案预先在定子铁芯齿部与定子绕组端部加装测温元件，并得到了2020年11月至2021年5月内的两台机组的定子温度历史数据，从中得出两方案与传统测温元件安装方案的温差如表7所示。

表6 桂山项目试验机组不同安装方案温差数据

表6数据说明：定子铁芯齿部安装方案和绕组端部安装方案温差均较为稳定，相比之下前者测温效果更稳定，但需预先加工安装孔；后者温差稍大，但绑扎安装操作方便。

总而言之，两方案温差均在可控范围，只需在使用时，将监测预警温度降低一定数值（定子铁芯齿部安装方案降低13℃，定子绕组端部安装方案降低23℃），即可对发电机定子绕组温度起到较好的监控效果。

3 结论

针对风力发电机定子测温元件难以更换的问题，设计了五种可更换测温元件的安装方案。文中选取了五个测温元件安装位置，设计了相应的安装方案，对各安装方案进行了稳态温升试验，得到了各安装方案对应的测温元件读数，并与传统测温元件安装方案所得结果进行了对比，得到了两种测温效果较好的测温元件安装方案。最后针对这两种方案进行了现场试验，结果表明：定子铁芯齿部安装方案与定子绕组端部安装方案的测温效果较好，只需在使用时适当降低监测预警温度值（定子铁芯齿部安装方案降低13℃，定子绕组端部安装方案降低23℃），即可对发电机定子绕组温度起到较好的监控效果，有效提高了风力发电机定子温度检测系统的可靠性与可维修性，具有较好的应用价值。

[1] 安军, 陈启鑫, 代飞, 等. 面向大气污染防治的电力绿色调度策略研究与实践[J]. 电网技术, 2021, 45(2): 605-612.

[2] 崔荣国, 郭娟, 程立海, 等. 全球清洁能源发展现状与趋势分析[J]. 地球学报, 2021, 42(2): 179-186.

[3] 覃盛琼, 程朗, 何占启, 等. 风力发电系统研究与应用前景综述[J]. 机械设计, 2021, 38(8): 1-8.

[4] 朱高嘉, 刘晓明, 李龙女, 等. 永磁风力发电机风冷结构设计与分析[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5): 946-953.

[5] 贺景运, 边旭, 梁艳萍. 空冷水轮发电机定子冷却结构设计与分析[J]. 西安交通大学学报, 2019, 53(12): 111-119.

[6] 董改花. 电机绕组温升的测量与计算[J]. 微特电机, 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

黄成勇（1984-），男，工程师。研究方向：大功率风力发电机。E-mail: xemc-tdyjshcy@foxmail.com