基于数据分析的发电机定子铁芯绝缘故障检测方法

张 宏，吴明波，张兴明，王 江，杨昶宇

（华能澜沧江水电股份有限公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

水轮发电机一般由定子、转子组成，其中定子由铁芯、线棒、机座等组成。定子铁芯是定子的重要部件，也是电机磁路的主要组成部分。它是由扇形片、通风槽片、定位筋、上下齿压板、拉紧螺栓及托板等零件组成。定子铁芯是用硅钢片冲成扇形片叠装于定位筋上，定位筋通过托板焊于机座环板上，并通过上、下齿压板用拉紧螺栓将铁芯压紧成整体而成。铁芯也是安放绕组的部分，发电机运行时，铁芯将受到机械力、热应力及电磁力的综合作用。铁芯的作用是为发电机提供磁回路，同时固定线棒。铁芯为0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成，硅钢片涂有绝缘漆膜，通过铁芯穿心螺杆紧固在一起。

由于冲头和冲模之间必须有间隙，在冲剪时模具的刃口处产生剪切和弯曲，因此冲片的一边总是有毛刺[1]，即使在新模具开始使用时也存在，有时冲片的毛刺最大可达0.08mm左右。扇形冲片在除去毛刺后即进行绝缘，即将扇形冲片在涂漆机上涂上一层硅钢片漆，常用牌号有1611号漆，属于A级。F级牌号为133号漆，漆膜厚度在0.015～0.02mm范围内。扇形冲片的绝缘用来限制铁芯中的轴向/径向涡流。

定子铁芯是发电机故障的频发部件，主要原因是定子铁芯叠片间的绝缘漆膜易损坏，叠片间短路，叠片与紧固棒形成闭合回路，产生涡流电流，导致铁芯局部过热[2]。铁芯叠片间短路的原因主要有以下三点：①硅钢片边缘有毛刺或漆膜质量差，造成铁芯间绝缘不满足要求，造成铁芯短路[3]；②硅钢片压装不到位或长期运行后松动，导致硅钢片振动，长时间运行使铁芯叠片磨损、绝缘损坏；③发电机运行时，有金属颗粒等质地坚硬的物体落入发电机定子铁芯中，导致叠片间绝缘损坏。目前没有发动机铁芯在线监测的装置或系统，无法在线检测发电机定子铁芯绝缘故障，当铁芯绝缘发生故障时，将导致发电机不能正常工作[4]。因此，有必要对现有技术加以改进。

1 基于数据分析的检测发电机绝缘故障的原理及步骤

发电机的线棒固定在定子铁芯叠片内，当发电机铁芯绝缘出现故障时，会造成铁芯温度局部升高[5]。但是发电机定子铁芯垂直振动大（或超标）、定子线棒发热等因素也会造成铁芯温度升高[6]。因此只有当同时满足：铁芯温度偏差值大于设定相邻铁芯间的正常温度偏差值、定子铁芯温度最大值大于线棒温度最大值、铁芯垂直振动峰峰值小于设定铁芯正常垂直振动峰峰值，这三个条件时，才能判定为铁芯绝缘发生故障[7]。具体步骤如下：

（1）设定水轮发电机组正常运行的相邻铁芯之间的温度偏差值为T芯差正，铁芯正常最大温度值为T芯大正，线棒正常最大温度值为T棒大正，铁芯正常垂直振动峰峰值为S芯振正。

（2）通过水轮发电机组现有的温度传感器及其相连的计算机和机组在线监测系统，获取各铁芯温度值、线棒温度值和铁芯垂直振动峰峰值。

（3）根据步骤（2）获取的各个铁芯温度值，按式（1）计算各相邻铁芯间的温度差值：

其中：

T1～Tn表示计算机获取的1～n号铁芯温度；

t1=|T2-T1|表示1～2号铁芯的温度差绝对值；

t2=|T3-T2|表示2～3号铁芯的温度差绝对值；

T3=|T4-T3|表示3～4号铁芯的温度差绝对值；

…

Tn-1=|Tn-Tn-1|表示（n-1）～n号铁芯的温度差绝对值；

tn=|T1-Tn|表示1～n号铁芯的温度差绝对值。

取最大温度差绝对值作为监视量。

（4）根据步骤（2）获取的各个铁芯温度，找出铁芯最大温度值。

（5）根据步骤（2）获取的各个线棒温度值，找出线棒最大温度值。

（6）根据步骤（3）～（5）的数据进行下列比对：

步骤（3）的相邻铁芯间的最大温度偏差绝对值tn＞设定相邻铁芯间的正常温度偏差值T芯差正；

步骤（4）获取的铁芯温度最大值 ＞ 步骤（5）获取的线棒最大温度值；

步骤（2）获取的铁芯垂直振动峰峰值＜设定铁芯正常垂直振动峰峰值S芯振正；

检测出水轮发电机定子铁芯绝缘故障。

（7）根据步骤（6）的检测结果，制定检修、处理措施，以便在检修时对故障的铁芯进行修复。

2 应用实例

以某电厂为例，机组为立式水轮机，发电机为伞式，发电机额定容量为250MW，定子铁芯内径11.2m，定子铁芯高1.8m，配置12只空气冷却器。线棒、铁芯温度传感器为PT100，温度信号上送计算机监控系统。铁芯振动传感器采样低频速度传感器经在线监测采集箱进行采集、计算。以2019年3月4号水轮发电机组运行情况为例进行实际检测，该机组的铁芯测温点共有20个，并按1～20的顺序编号，线棒测温点共有20个，并按1～20的顺序编号，铁芯垂直振动测点1个，包括下列步骤：

（1） 设定水轮发电机组正常运行的相邻铁芯之间的温度偏差值为T铁芯偏差= 9℃，铁芯正常最大温度值为T芯大正=90℃，线棒正常最大温度值为T棒大正=100℃，铁芯正常垂直振动峰峰值为S铁芯正=80μm。

（2） 通过水轮发电机组现有的温度传感器及其相连的计算机、机组在线监测系统获取各铁芯、线棒温度值和铁芯垂直振动峰峰值。铁芯、线棒温度值见表1。

表1 铁芯、线棒温度值Table 1 temperature value of iron core and bar

铁芯垂直振动为17.7μm。

（3） 根据步骤（2）获取的各个铁芯温度值，按式（2）计算各相邻铁芯之间的温度偏差值：

其中：

铁芯温度偏差值见表2。

表2 铁芯温度偏差值Table 2 core temperature difference

取最大温度差绝对值11.2℃作为监视量。

（4） 根据步骤（2）获取的各个铁芯温度，找出最大温度值为10号铁芯温度67.0℃。

（5） 根据步骤（2）获取的各个线棒温度值，找出最大温度值为4号线棒温度65.1℃。

（6） 根据步骤（3）～（5）获得的下列计算数据进行下列比对：

步骤（3）的相邻铁芯间的温度差值11.2℃＞设定温度差值9℃；

步骤（4）获取的铁芯温度最大值67.0℃ ＞ 步骤（5）获取的线棒最大温度值65.1℃；

步骤（2）获取的铁芯垂直振动峰峰值17.7μm ＜ 设定铁芯正常垂直振动峰峰值S芯振正（80μm）。

检测出水轮发电机定子铁芯绝缘故障。

（7） 根据步骤（6）的检测结果，制定检修、处理措施，对故障的铁芯进行修复。

（8） 铁芯绝缘修复后，再次通过水轮发电机组现有的温度传感器及其相连的计算机、机组在线监测系统获取各铁芯、线棒温度值和铁芯垂直振动峰峰值。检修后的铁芯温度、线棒温度见表3。

表3 检修后的铁芯、线棒温度值Table 3 temperature of iron core and bar after maintenance

铁芯垂直振动为17.7μm。

（9） 根据步骤（8）获取的各个铁芯温度值，再次计算各相邻铁芯之间的温度偏差值，见表4。

表4 检修后铁芯温度偏差值Table 4 temperature deviation of iron core after maintenance

（10）检修后铁芯最大温度58.3℃，小于线棒最大温度65.6℃；铁芯垂直振动17.7μm小于设定铁芯正常垂直振动峰峰值S芯振正= 80μm，铁芯最大温差值为2.3℃小于设定值9℃。

3 结论

通过发电机定子铁芯绝缘故障的实时检测，能够自动、准确检测发动机铁芯的绝缘是否正常，为检修、维护提供参考和指导，不需要人员手动进行分析，降低了人员劳动强度，提高了工作效率，同时也避免了因分析人员专业技术差异造成的分析结果差异，有助于提高分析质量。当发电机铁芯发生轻微故障时，即能够提前进行预警，防止故障扩大，减少因故障扩大抢修造成的经济损失。按照单机容量70万kW计算，每多停机1小时，损失为14万元，给企业带来较大的经济效益，值得推广应用。