柏文珺，高 凡，李 寧

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

水輪發(fā)電機(jī)是水電廠極其重要的一次設(shè)備，在其進(jìn)行檢修后，對其進(jìn)行評估有助于分析其檢修效果與運(yùn)行穩(wěn)定性。A廠3號機(jī)組2019年下半年開始擴(kuò)修改造，定子更換了除機(jī)座以外的全部部件，并進(jìn)行重新裝配。因此，分析定子繞組和定子鐵芯在檢修前后的運(yùn)行情況是評估機(jī)組檢修質(zhì)量的重要參考依據(jù)。

目前，對于水輪發(fā)電機(jī)定子部分運(yùn)行狀況的研究主要集中在其運(yùn)行溫度是否超過國標(biāo)[1]規(guī)定的上限值，文獻(xiàn)2、3分別從不同的角度研究定子溫度過高的原因以及如何降低定子溫度，并沒有關(guān)注溫升率的變化情況[2-3]。而定子個別部分的溫度變化程度大，可能會影響相應(yīng)部位的絕緣性能，加速絕緣老化[4]，同時(shí)，對發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷產(chǎn)生錯誤引導(dǎo)[5]，可能會影響相應(yīng)部位的絕緣性能，甚至由于溫差過大，使得其結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，從而危及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文選取機(jī)組檢修前與檢修后的監(jiān)控運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)，分別選取某段機(jī)組帶相同有功、無功、水頭相同的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過采集該段時(shí)間內(nèi)4組定子繞組和2組定子鐵芯測點(diǎn)在負(fù)荷調(diào)整后6 h內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，對比兩個時(shí)間段溫度變化曲線、最高值以及溫升率曲線。通過三個指標(biāo)的對比分析能夠更有效的評估檢修質(zhì)量，能夠?yàn)锳廠其他機(jī)組的擴(kuò)修改造提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 定子繞組溫度分析

1.1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)采集

選取A廠3號機(jī)組定子繞組溫度最高的4個測點(diǎn)，定子鐵芯溫度最高的2個測點(diǎn)在100、300、400 WM三個運(yùn)行工況下，記錄機(jī)組在負(fù)荷調(diào)整后并穩(wěn)定6 h內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)用于分析和對比。

T(t)=f(t)

其中，T(t)、f(t)分別為時(shí)刻t時(shí)的溫度值、溫度變化函數(shù)。

根據(jù)上述公式繪制溫度隨時(shí)間變化的溫度變化曲線圖，直觀對比各測點(diǎn)的溫度變化情況。

為進(jìn)一步研究溫度變化規(guī)律，本文采用溫升率來進(jìn)行研究。溫升率是指在單位時(shí)間內(nèi)溫度變化的程度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Tf為溫升率；Tn為某測點(diǎn)的溫度值；Tn-1為該測點(diǎn)前一個單位時(shí)間的溫度值；Δt為單位時(shí)間段。

為便于計(jì)算和比較，本文選取的時(shí)間段為1 h，即1 h內(nèi)溫度變化的數(shù)值，單位為℃/h。

1.2 對比分析

1.2.1 100 WM工況

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得檢修前(2019年)和檢修后(2020年)(下同)3號機(jī)組數(shù)據(jù)所繪制100 WM工況下定子繞組溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 100 MW各繞組溫度變化曲線圖

從圖1中可知，檢修后3號機(jī)組在100 WM運(yùn)行工況時(shí)各繞組溫度最大值有明顯降低，4個繞組測點(diǎn)平均降低6.8℃，17號繞組測點(diǎn)溫度下降最大，達(dá)7.4℃。對比溫度曲線可知，各繞組溫度變化曲線波動趨于一致，溫度波動幅度有一定的縮小，曲線更加平滑、穩(wěn)定，各繞組溫度趨于穩(wěn)定的時(shí)間相較于檢修前縮短，其溫升率如表1所示。

從表1可知，在100 WM工況下，定子繞組溫度在負(fù)荷調(diào)整后能夠迅速穩(wěn)定，其后有小范圍的波動，檢修前后進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，溫度的溫升率變化值相差較小，但檢修后定子繞組各測點(diǎn)的溫升率變化趨于一致。

表1 100 WM機(jī)組定子繞組溫升率表

1.2.2 300 WM工況

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)所繪制300 WM工況下定子繞組溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 300 MW各繞組溫度變化曲線圖

對比圖2所示各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，定子繞組在300 WM工況下，檢修后各測點(diǎn)的最高溫度均低于檢修前，平均下降5.3℃，其中22號繞組降幅最大，達(dá)7.2℃。在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后，繞組溫度有一個明顯的上升趨勢，2 h后曲線漸變平緩，斜率降低。對比檢修前后溫度曲線可得出，檢修后的溫度曲線比檢修前更為平滑，曲線趨于水平所需時(shí)間更短，各繞組測點(diǎn)變化趨勢一致，如表2所示。

對比表2溫升率可知，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后2 h內(nèi)，繞組溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～5 h內(nèi)溫升率降低至1～2℃/h，5 h后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)間，溫升率小于1℃/h，但各繞組溫度仍存在波動，而且其溫升率變化幅值和方向均不相同。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負(fù)荷整后2 h內(nèi)，溫升率幅值在1.5℃/h以下，3 h后溫度迅速趨于穩(wěn)定，溫升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐漸降低，趨于0值，同時(shí)各繞組溫升率變化幅值相近，方向一致。

表2 300 WM機(jī)組定子繞組溫升率表

1.2.3 400 WM工況

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)所繪制400 WM工況下定子繞組溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 400 MW各繞組溫度變化曲線圖

對比圖3所示各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，定子繞組在400 WM工況下，檢修后各測點(diǎn)的最高溫度均低于檢修前，平均下降7.1℃，其中22繞組號降幅最大，達(dá)8.4℃。并且，檢修前17號繞組測點(diǎn)的溫度明顯低于其他3個測點(diǎn)，差值將近10℃，查詢該測點(diǎn)其他時(shí)間段的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該測點(diǎn)的溫度在檢修前與本次測點(diǎn)情況一致，均略低于其他測點(diǎn)，排除本次數(shù)據(jù)采集有誤情況。對比溫度變化曲線可知，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后，繞組溫度有一個明顯的上升趨勢，3 h后曲線漸變平緩，斜率降低。對比檢修前后的溫度曲線可知，檢修后的溫度曲線比檢修前更為平滑，曲線趨于水平所需的時(shí)間更短，各繞組測點(diǎn)變化趨勢一致，沒有出現(xiàn)檢修前某一繞組與其他繞組溫差明顯的情況，如表3所示。

表3 400 WM機(jī)組定子繞組溫升率表

對比表3溫升率值可知，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后2 h內(nèi)，繞組溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～4 h內(nèi)溫升率降低至0.05～1.5℃/h，4 h后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)間，溫升率小于0.2℃/h，但各繞組溫度仍存在波動，而且其溫升率變化幅值和方向基本一致。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負(fù)荷整后2 h后溫度迅速趨于穩(wěn)定，溫升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐漸降低，趨于0值，同時(shí)，各繞組的溫升率變化幅值相近，方向一致。

1.2.4 同繞組不同負(fù)荷段溫升率

根據(jù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，選取14號定子繞組測點(diǎn)檢修后的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同負(fù)荷段溫升率變化分析，如表4所示。

表4 14號定子繞組不同負(fù)荷段溫升率表

從表4可知，14號繞組的溫升率并不是隨著負(fù)荷的增大而增加，而是在100 WM負(fù)荷段和400 WM負(fù)荷段的溫升率要明顯小于300 WM負(fù)荷段，且趨于穩(wěn)定的時(shí)間也較小。考慮300 WM的負(fù)荷段靠近機(jī)組的振動區(qū)，可能導(dǎo)致該負(fù)荷段溫升率相對其他負(fù)荷段較高。在另外兩個負(fù)荷段，溫升率隨負(fù)荷增大而增加。

2 定子鐵芯溫度對比分析

2.1 100 WM工況

根據(jù)100 WM工況下定子鐵芯溫度數(shù)據(jù)，繪制其溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 100 MW各鐵芯溫度變化曲線圖

從圖4中可知，3號機(jī)組在100 WM運(yùn)行工況下，各定子鐵芯溫度最大值相較檢修前有明顯降低，2個繞組測點(diǎn)平均降低5.4℃。對比溫度曲線可知，各測點(diǎn)溫度變化曲線形狀趨于一致，溫度波動幅度有一定縮小，曲線更加平滑、穩(wěn)定，各繞組溫度趨于穩(wěn)定的時(shí)間相較于檢修前縮短，且沒有出現(xiàn)檢修前溫度變化趨勢不同的情況，如表5所示。

表5 100 WM機(jī)組定子鐵芯溫升率表

從表5可知，在100 WM工況下，定子鐵芯溫度在負(fù)荷調(diào)整后能夠迅速穩(wěn)定，其后基本沒有太大的波動，檢修前后定子鐵芯溫升率變化值沒有太大的差距。

2.2 300 WM工況

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)所繪制300 WM工況下定子鐵芯溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 300 MW各鐵芯溫度變化曲線圖

對比圖5所示各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，定子鐵芯在300 WM工況下，檢修后各測點(diǎn)的最高溫度較大幅度降低，選取的兩個測點(diǎn)分別降低了10.3℃和13.5℃，且兩測點(diǎn)之間的溫度差距較小。對比溫度變化曲線可知，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后，繞組溫度有一個明顯的上升區(qū)間，2 h后曲線漸變平緩，斜率降低。檢修后的溫度曲線比檢修前更為平緩，曲線趨于水平所需的更短，各鐵芯測點(diǎn)曲線變化一致，如表6所示。

表6 300 WM機(jī)組定子鐵芯溫升率表

對比表6溫升率值可知，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后2 h內(nèi)，鐵芯溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～3 h內(nèi)溫升率降低至1℃/h以下，3 h后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)間，溫升率小于0.5℃/h，但各繞組溫度仍存在波動，且其溫升率變化方向不同。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負(fù)荷整后2 h內(nèi)，溫升率幅值在1.5℃/h以下，3 h后溫度迅速趨于穩(wěn)定，溫升率降低至0.5℃/h以下，其后幅值逐漸降低，趨于0值，同時(shí)，各測點(diǎn)的溫升率變化幅值相近，方向一致。

2.3 400 WM工況

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)所繪制400 WM工況下定子鐵芯溫度變化曲線如圖6所示。

對比圖6所示各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，定子鐵芯在400 WM工況下，檢修后各測點(diǎn)的最高溫度出現(xiàn)大幅度下降情況，2個測點(diǎn)分別降低了18.7℃和23.4℃，且2測點(diǎn)之間的溫度差距較小。對比溫度變化曲線發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后，鐵芯溫度曲線在2 h后漸變平緩，斜率降低。檢修后的溫度曲線比檢修前更為平緩，曲線趨于水平所需的更短，各鐵芯測點(diǎn)曲線變化一致，如表7所示。

圖6 400 MW各鐵芯溫度變化曲線圖

表7 400 WM機(jī)組定子鐵芯溫升率表

對比表7溫升率值可知，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整后2 h內(nèi)，鐵芯溫度上升明顯，檢修前溫升率幅值在2℃/h以上，在2～3h內(nèi)溫升率降低至1.5℃/h以下，3 h后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)間，溫升率小于0.5℃/h，逐漸趨于0值，但各測點(diǎn)溫度仍存在波動，且其溫升率變化幅值和方向不同。檢修后的溫升率變化明顯低于檢修前，在負(fù)荷整后2 h內(nèi)，溫升率幅值在0.5℃/h以下，3 h后溫度迅速趨于穩(wěn)定，溫升率趨于0值，同時(shí)，各測點(diǎn)的溫升率變化幅值相近，方向一致。

2.4 同鐵芯測點(diǎn)不同負(fù)荷段溫升率

根據(jù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，選取9號定子鐵芯測點(diǎn)檢修后的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同負(fù)荷段溫升率變化分析，如表8所示。

表8 9號定子鐵芯不同負(fù)荷段溫升率表

從表8數(shù)據(jù)可知，9號鐵芯測點(diǎn)的溫升率并不是隨著負(fù)荷的增大而增加，而是在100 WM負(fù)荷段和400 WM負(fù)荷段的溫升率要明顯小于300 WM負(fù)荷段，且趨于穩(wěn)定的時(shí)間也較小?？紤]300 WM的負(fù)荷段靠近機(jī)組的振動區(qū)，可能導(dǎo)致該負(fù)荷段溫升率相對其他負(fù)荷段較高。在另外兩個負(fù)荷段，明顯由于負(fù)荷較大，溫升率也隨之提升。

3 結(jié) 語

通過對比A廠3號機(jī)組檢修前后定子繞組和定子鐵芯在不同負(fù)荷段的溫度最大值、溫度變化曲線和溫升率可以明顯看出，檢修后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于檢修前，各測點(diǎn)的溫度值均存在不同程度的降低，不同測點(diǎn)的溫度變化趨勢相近，測點(diǎn)之間的溫度差距縮小，同時(shí)溫度趨于穩(wěn)定的時(shí)間更短，在穩(wěn)定以后，各測點(diǎn)的溫升率逐漸趨近于0值。綜上所述，本次檢修對機(jī)組的健康運(yùn)行起到了積極的作用。