張興明，吳明波，張 宏，邢志江，楊昶宇

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南省昆明市 650000）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)定子主要由基座、鐵芯和三相繞組線棒等組成，三相繞組線棒嵌裝在鐵芯的齒槽內(nèi)[1]。定子鐵芯上、下層定子線棒的連接、極間連線的連接及引出線的連接，均由定子線棒兩端的接頭來實(shí)現(xiàn)。大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒接頭數(shù)量多達(dá)上百個(gè)，且隨著單機(jī)容量的不斷增大流經(jīng)每個(gè)接頭的電流也在不斷增加，小則數(shù)千安培，大則上萬安培[2]。由于接頭焊接工藝、材質(zhì)等原因造成的定子線棒[3]接頭接觸不良，將導(dǎo)致各定子線棒阻值和電流大小不一、接頭溫度升高、絕緣下降等，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致定子線棒擊穿、接頭松脫等機(jī)組保護(hù)跳閘事故，且因定子線棒接頭接觸不良導(dǎo)致的事故處理都需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間。定子線棒接頭處空間密閉、狹小，現(xiàn)場(chǎng)工作人員日常巡檢很難進(jìn)行逐一檢查，很難發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子線棒接頭接觸不良故障。因此，可靠的定子線棒接頭接觸狀態(tài)監(jiān)測(cè)尤為重要。

由于發(fā)電機(jī)定子線棒接頭接觸不良嚴(yán)重危害發(fā)電機(jī)運(yùn)行，目前發(fā)電機(jī)定子線棒接頭接觸狀態(tài)主要監(jiān)測(cè)手段技術(shù)一是通過超聲波發(fā)射裝置進(jìn)行檢測(cè)接頭接觸狀態(tài)；二是利用檢修時(shí)將繞組串接起來，進(jìn)行電流注入試驗(yàn)[4]，并對(duì)定子線棒各接頭處溫度進(jìn)行測(cè)量來判斷是否存在接頭松動(dòng)[5]。通過超聲波檢查定子線棒接頭是比較可靠的，能有效發(fā)現(xiàn)絕緣包裹內(nèi)的接頭是否接觸良好，但由于大型發(fā)電機(jī)組的定子線棒接頭有上百個(gè)，且空間密閉、狹小，要對(duì)每個(gè)接頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)絕非易事，不僅要耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且只能在機(jī)組停機(jī)或檢修時(shí)才能進(jìn)行檢測(cè)，耗費(fèi)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間就是降低電廠效益。在檢修期通過電流注入試驗(yàn)，測(cè)量各接頭的溫度來判斷接頭松動(dòng)，也是只能在機(jī)組檢修期完成，而且一般只有在大修時(shí)才有條件進(jìn)行試驗(yàn)。目前還沒有根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)診斷分析定子線棒接頭接觸狀態(tài)方法。因此及時(shí)檢測(cè)分析發(fā)電機(jī)眾多定子線棒接頭接觸狀態(tài)，是保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

為了準(zhǔn)確診斷發(fā)電機(jī)定子線棒接頭接觸不良故障，避免因定子線棒接觸不良故障造成設(shè)備停機(jī)，本分析方法通過實(shí)時(shí)采集定子線棒和定子鐵芯溫度值，建立數(shù)學(xué)分析模型，對(duì)定子線棒接頭接觸不良故障進(jìn)行分析檢測(cè)。

1 本定子線棒接頭接觸不良故障分析方法原理

電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在電流和電壓的雙重作用之下，產(chǎn)生功率損耗，分別可由電阻的損耗從而引起發(fā)熱、設(shè)備的介質(zhì)方面損耗引起發(fā)熱以及設(shè)備鐵損產(chǎn)生致熱等[6]。發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，機(jī)組正常發(fā)電時(shí)，電流流過線棒進(jìn)行匯聚，因此定子線棒溫度略高于定子鐵芯溫度，理論上各定子線棒溫度基本相等，各定子鐵芯溫度基本相等。本故障分析方法原理如下：

圖1 發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure drawing of generator stator

（1） 發(fā)電機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子線棒、定子鐵芯各溫度處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，若某一定子線棒的接頭部位接觸不良，此處的電阻比其他正常地方的電阻要大得多，根據(jù)焦耳定律電阻性導(dǎo)體發(fā)熱量與電阻關(guān)系Q=I2Rt，這個(gè)接觸不良部分的產(chǎn)生熱量比其他地方就會(huì)多得多，從而產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，即該定子線棒部位發(fā)熱嚴(yán)重[7]，定子線棒溫度最大值增大（可達(dá)90℃以上），但定子鐵芯和定子線棒其他部位溫度變化較小。

（2） 導(dǎo)致定子線棒溫度上升原因有很多，如電磁拉力不平衡、定子振動(dòng)過大、定子鐵芯渦流、發(fā)電機(jī)電暈、空氣冷卻異常等[8]，定子線棒和定子鐵芯整體或部分測(cè)點(diǎn)溫度均會(huì)升高。為排除其他故障原因造成的定子線棒溫度、定子鐵芯溫度升高，引入定子線棒溫度偏差（定子線棒溫度最大值-定子線棒溫度平均值）和定子線棒與定子鐵芯最大溫度差（定子線棒溫度最大值-定子鐵芯溫度最大值）增大作為判斷條件。若其他故障導(dǎo)致的定子線棒、定子鐵芯平均溫度升高，定子線棒溫度偏差基本不會(huì)增大，同時(shí)定子線棒與定子鐵芯最大溫度差也不會(huì)增大。

（3） 機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，線棒溫度最大值、線棒溫度偏差、定子線棒鐵芯最大溫度差這三個(gè)計(jì)算值應(yīng)基本穩(wěn)定。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，定子線棒上端或下端單點(diǎn)溫度逐漸增大，即定子線棒溫度最大值、定子線棒溫度偏差值、定子線棒與定子鐵芯最大溫度差值，這三個(gè)值同時(shí)增大。

（4） 建立的數(shù)學(xué)分析模型故障判斷流程見圖2。

圖2 故障分析判斷邏輯流程圖Figure 2 Logic flow chart of fault analysis and judgment

2 本分析方法實(shí)施步驟

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取

目前水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)了水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備絕大部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，本分析方法所需數(shù)據(jù)定子線棒和鐵芯各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)可直接通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行查詢所得。

2.2 主要實(shí)時(shí)監(jiān)視量提取步驟

（1）計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的線棒溫度最大值，所有線棒溫度平均值。

（2）計(jì)算線棒溫度偏差值：根據(jù)計(jì)算的對(duì)應(yīng)時(shí)刻線棒溫度最大值減去線棒溫度平均值。

（3）計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的鐵芯溫度最大值。

（4）計(jì)算定子線棒鐵芯最大溫度差值：對(duì)應(yīng)時(shí)刻的線棒溫度最大值減去鐵芯溫度最大值。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析判斷

（1）根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)提取的線棒溫度最大值、線棒溫度偏差值、定子線棒鐵芯最大溫度差值超過一定限值時(shí)可判斷為定子線棒異常。

（2）核對(duì)設(shè)備圖紙及設(shè)備，若定子線棒最大溫度測(cè)點(diǎn)位于定子線棒上端或下端接頭處，則說明水輪發(fā)電機(jī)組存在定子線棒接頭接觸不良故障。

（3）根據(jù)分析的結(jié)果及時(shí)開展停機(jī)檢查及處理工作。

2.4 批量數(shù)據(jù)處理分析

電氣設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于振動(dòng)、腐蝕、氧化和發(fā)熱，部件和導(dǎo)線接頭處可能出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致接觸不良，造成局部升溫，溫度升高后接觸不良部位的物理性能進(jìn)一步惡化，接觸電阻也進(jìn)一步增大，從而形成惡性循環(huán)，當(dāng)這種惡性循環(huán)發(fā)展到一定程度，造成連接部位出現(xiàn)虛接，不能承載足夠的電壓或電流時(shí)，就會(huì)發(fā)生接觸不良故障，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備故障或事故[9]。實(shí)際分析過程中，單純的一組數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確判定子線棒接頭接觸不良故障，而且接觸不良故障往往是一段時(shí)間設(shè)備異常發(fā)展趨勢(shì)導(dǎo)致。因此往往需要一段時(shí)間大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析并生成相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)圖，以此增加故障分析方法的準(zhǔn)確性，因此可借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助運(yùn)算，本分析方法可借助Excel表格進(jìn)行批量數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

3 本故障分析方法具體實(shí)踐應(yīng)用

2020年2月某水電廠5號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子線棒61號(hào)溫度越高限報(bào)警，根據(jù)本方法進(jìn)行了定子線棒接頭接觸不良計(jì)算分析。該發(fā)電機(jī)定子線棒共144個(gè)部位測(cè)點(diǎn)，定子鐵芯共54個(gè)部位測(cè)點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)查詢到該時(shí)刻的各部位定子線棒與定子鐵芯的溫度值，定子線棒溫度1～144號(hào)見表1，定子鐵芯溫度1～54號(hào)見表2。分析結(jié)果如下：

表1 定子線棒溫度Table 1 Stator bar temperature

表2 定子鐵芯溫度Table 2 Stator core temperature

續(xù)表

根據(jù)本故障分析方法：

（1） 計(jì)算得到定子線棒平均溫度：

其中，i=1，2，3，…，144。

（2） 找出定子線棒最大溫度值為61號(hào)91.2℃、定子鐵芯溫度最大值為4號(hào)55.9℃。

（3） 計(jì)算定子線棒溫度偏差值：

（4） 計(jì)算定子線棒與定子鐵芯最大溫度差值t最大：

（5） 為進(jìn)一步確認(rèn)計(jì)算結(jié)果，通過采集發(fā)電機(jī)定子線棒及鐵芯一天12個(gè)不同時(shí)刻的溫度值進(jìn)行檢驗(yàn)分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同時(shí)刻計(jì)算分析結(jié)果Table 3 Calculation and analysis results at different times

（6） 通過多個(gè)不同時(shí)刻采集的溫度計(jì)算結(jié)果分析：

1）定子線棒最大溫度值T線棒最大在92℃左右，遠(yuǎn)大于日常運(yùn)行60℃左右。

2）計(jì)算的定子線棒溫偏差值t偏在34℃左右，遠(yuǎn)大于日常運(yùn)行4℃左右。

3）計(jì)算定子線棒與定子鐵芯最大溫度差值t最大在36℃左右，遠(yuǎn)大于日常運(yùn)行5℃左右。

4）通過核對(duì)設(shè)備圖紙及設(shè)備，確定61號(hào)的測(cè)點(diǎn)位于定子線棒下端接頭處。

5）為進(jìn)一步確定是否存在定子線棒接頭接觸不良故障，通過查詢1～2月時(shí)間段各定子線棒及鐵芯溫度，借助Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，結(jié)果見圖3。

圖3 故障分析關(guān)聯(lián)量趨勢(shì)圖Figure 3 Trend chart of fault analysis correlation quantity

通過趨勢(shì)圖可看出，定子線棒最大溫度、線棒溫度偏差、線棒鐵芯最大溫度差從1月開始，呈逐漸上升趨勢(shì)，線棒平均溫度略微上漲變化不大。

6）通過對(duì)61號(hào)定子線棒溫度測(cè)量回路檢查，測(cè)量回路無異常，根據(jù)故障分析原理及計(jì)算分析的結(jié)果判斷該水輪發(fā)電機(jī)組存在定子線棒接頭接觸不良故障。

（7） 電廠及時(shí)制定了檢查措施，經(jīng)電廠進(jìn)一步現(xiàn)地確認(rèn)，確實(shí)存在61號(hào)接頭處接觸不良故障，電廠對(duì)接頭重新進(jìn)行補(bǔ)焊及絕緣包裹處理。

（8） 處理后再次計(jì)算的定子線棒溫度最大值61.9℃、定子線棒溫度偏差值4.01℃、定子線棒與定子鐵芯最大溫度差值5.9℃，已經(jīng)降至正常運(yùn)行范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子線棒都是在密閉的風(fēng)洞內(nèi)，空間狹窄，定子線棒接頭數(shù)量眾多且被絕緣包裹，因此運(yùn)行人員日常巡檢無法判斷定子線棒接頭接觸狀態(tài)。本故障分析方法通過計(jì)算線棒溫度最大值、線棒溫度偏差、定子線棒鐵芯最大溫度差這三個(gè)監(jiān)測(cè)量值來判斷是否存在定子線棒接頭接觸不良故障，而不必再去檢測(cè)分析近兩百個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。本分析方法也可通過計(jì)算機(jī)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)判斷發(fā)電機(jī)定子線棒接頭接觸狀態(tài)。

本分析方法前提是建立在前端數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與正確性，必須保證所采集發(fā)電機(jī)線棒及鐵芯溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)計(jì)算分析為定子線棒接頭接觸不良故障時(shí)，首先應(yīng)檢查確認(rèn)前端溫度傳感器以及測(cè)量回路是否有異常；雖然作為一種間接的計(jì)算分析判斷故障的方法，不可能保證百分之百的準(zhǔn)確，但作為設(shè)備異常故障原因判斷分析的輔助手段[10]，可為確定設(shè)備故障原因指出方向，或排除定子線棒接頭接觸不良故障。在水電機(jī)組由計(jì)劃?rùn)z修逐步過渡到狀態(tài)檢修[11]的時(shí)期，如何通過數(shù)據(jù)分析挖掘設(shè)備潛力、評(píng)估設(shè)備狀態(tài)、提前進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)警，是行業(yè)內(nèi)亟待解決的問題，本方法給出了一種定子線棒接頭接觸不良故障分析判斷解決方案，在行業(yè)內(nèi)具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。