發電機定子線棒接頭接觸不良故障分析方法

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

水輪發電機定子主要由基座、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[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現。大型水輪發電機定子線棒接頭數量多達上百個，且隨著單機容量的不斷增大流經每個接頭的電流也在不斷增加，小則數千安培，大則上萬安培[2]。由于接頭焊接工藝、材質等原因造成的定子線棒[3]接頭接觸不良，將導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，嚴重的會導致定子線棒擊穿、接頭松脫等機組保護跳閘事故，且因定子線棒接頭接觸不良導致的事故處理都需要消耗較長的時間。定子線棒接頭處空間密閉、狹小，現場工作人員日常巡檢很難進行逐一檢查，很難發現發電機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監測尤為重要。

由于發電機定子線棒接頭接觸不良嚴重危害發電機運行，目前發電機定子線棒接頭接觸狀態主要監測手段技術一是通過超聲波發射裝置進行檢測接頭接觸狀態；二是利用檢修時將繞組串接起來，進行電流注入試驗[4]，并對定子線棒各接頭處溫度進行測量來判斷是否存在接頭松動[5]。通過超聲波檢查定子線棒接頭是比較可靠的，能有效發現絕緣包裹內的接頭是否接觸良好，但由于大型發電機組的定子線棒接頭有上百個，且空間密閉、狹小，要對每個接頭進行超聲波檢測絕非易事，不僅要耗費大量的時間，而且只能在機組停機或檢修時才能進行檢測，耗費機組運行時間就是降低電廠效益。在檢修期通過電流注入試驗，測量各接頭的溫度來判斷接頭松動，也是只能在機組檢修期完成，而且一般只有在大修時才有條件進行試驗。目前還沒有根據機組的運行狀態實時診斷分析定子線棒接頭接觸狀態方法。因此及時檢測分析發電機眾多定子線棒接頭接觸狀態，是保證發電機正常運行的重要環節。

為了準確診斷發電機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備停機，本分析方法通過實時采集定子線棒和定子鐵芯溫度值，建立數學分析模型，對定子線棒接頭接觸不良故障進行分析檢測。

1 本定子線棒接頭接觸不良故障分析方法原理

電氣設備運行時，在電流和電壓的雙重作用之下，產生功率損耗，分別可由電阻的損耗從而引起發熱、設備的介質方面損耗引起發熱以及設備鐵損產生致熱等[6]。發電機定子結構示意圖見圖1，機組正常發電時，電流流過線棒進行匯聚，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 發電機定子結構圖Figure 1 Structure drawing of generator stator

（1） 發電機正常穩定運行時，定子線棒、定子鐵芯各溫度處于一個相對穩定的狀態，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，根據焦耳定律電阻性導體發熱量與電阻關系Q=I2Rt，這個接觸不良部分的產生熱量比其他地方就會多得多，從而產生局部過熱現象，即該定子線棒部位發熱嚴重[7]，定子線棒溫度最大值增大（可達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、定子振動過大、定子鐵芯渦流、發電機電暈、空氣冷卻異常等[8]，定子線棒和定子鐵芯整體或部分測點溫度均會升高。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增大，同時定子線棒與定子鐵芯最大溫度差也不會增大。

（3） 機組正常運行時，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計算值應基本穩定。當出現故障時，定子線棒上端或下端單點溫度逐漸增大，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，這三個值同時增大。

（4） 建立的數學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 本分析方法實施步驟

2.1 實時數據獲取

目前水電廠計算機監控系統均已實現了水輪發電機組及輔助設備絕大部位的監測數據采集，本分析方法所需數據定子線棒和鐵芯各測點溫度數據可直接通過計算機監控系統進行查詢所得。

2.2 主要實時監視量提取步驟

（1）計算出對應時刻的線棒溫度最大值，所有線棒溫度平均值。

（2）計算線棒溫度偏差值：根據計算的對應時刻線棒溫度最大值減去線棒溫度平均值。

（3）計算出對應時刻的鐵芯溫度最大值。

（4）計算定子線棒鐵芯最大溫度差值：對應時刻的線棒溫度最大值減去鐵芯溫度最大值。

2.3 計算結果分析判斷

（1）根據實際運行經驗，當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可判斷為定子線棒異常。

（2）核對設備圖紙及設備，若定子線棒最大溫度測點位于定子線棒上端或下端接頭處，則說明水輪發電機組存在定子線棒接頭接觸不良故障。

（3）根據分析的結果及時開展停機檢查及處理工作。

2.4 批量數據處理分析

電氣設備長期運行后，由于振動、腐蝕、氧化和發熱，部件和導線接頭處可能出現松動，導致接觸不良，造成局部升溫，溫度升高后接觸不良部位的物理性能進一步惡化，接觸電阻也進一步增大，從而形成惡性循環，當這種惡性循環發展到一定程度，造成連接部位出現虛接，不能承載足夠的電壓或電流時，就會發生接觸不良故障，進而引發設備故障或事故[9]。實際分析過程中，單純的一組數據很難準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間設備異常發展趨勢導致。因此往往需要一段時間大量的數據進行計算分析并生成相應的設備狀態趨勢圖，以此增加故障分析方法的準確性，因此可借助計算機進行輔助運算，本分析方法可借助Excel表格進行批量數據計算分析。

3 本故障分析方法具體實踐應用

2020年2月某水電廠5號機組運行時定子線棒61號溫度越高限報警，根據本方法進行了定子線棒接頭接觸不良計算分析。該發電機定子線棒共144個部位測點，定子鐵芯共54個部位測點，通過計算機監控系統查詢到該時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號見表1，定子鐵芯溫度1～54號見表2。分析結果如下：

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

續表

根據本故障分析方法：

（1） 計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91.2℃、定子鐵芯溫度最大值為4號55.9℃。

（3） 計算定子線棒溫度偏差值：

（4） 計算定子線棒與定子鐵芯最大溫度差值t最大：

（5） 為進一步確認計算結果，通過采集發電機定子線棒及鐵芯一天12個不同時刻的溫度值進行檢驗分析，計算結果見表3。

表3 不同時刻計算分析結果Table 3 Calculation and analysis results at different times

（6） 通過多個不同時刻采集的溫度計算結果分析：

1）定子線棒最大溫度值T線棒最大在92℃左右，遠大于日常運行60℃左右。

2）計算的定子線棒溫偏差值t偏在34℃左右，遠大于日常運行4℃左右。

3）計算定子線棒與定子鐵芯最大溫度差值t最大在36℃左右，遠大于日常運行5℃左右。

4）通過核對設備圖紙及設備，確定61號的測點位于定子線棒下端接頭處。

5）為進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月時間段各定子線棒及鐵芯溫度，借助Excel表格進行數據趨勢分析，結果見圖3。

圖3 故障分析關聯量趨勢圖Figure 3 Trend chart of fault analysis correlation quantity

通過趨勢圖可看出，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，線棒平均溫度略微上漲變化不大。

6）通過對61號定子線棒溫度測量回路檢查，測量回路無異常，根據故障分析原理及計算分析的結果判斷該水輪發電機組存在定子線棒接頭接觸不良故障。

（7） 電廠及時制定了檢查措施，經電廠進一步現地確認，確實存在61號接頭處接觸不良故障，電廠對接頭重新進行補焊及絕緣包裹處理。

（8） 處理后再次計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℃，已經降至正常運行范圍。

4 結語

發電機組運行時，定子線棒都是在密閉的風洞內，空間狹窄，定子線棒接頭數量眾多且被絕緣包裹，因此運行人員日常巡檢無法判斷定子線棒接頭接觸狀態。本故障分析方法通過計算線棒溫度最大值、線棒溫度偏差、定子線棒鐵芯最大溫度差這三個監測量值來判斷是否存在定子線棒接頭接觸不良故障，而不必再去檢測分析近兩百個溫度測點。本分析方法也可通過計算機獲取實時數據，進行在線實時分析，實時判斷發電機定子線棒接頭接觸狀態。

本分析方法前提是建立在前端數據采集的準確性與正確性，必須保證所采集發電機線棒及鐵芯溫度數據與實際一一對應，當計算分析為定子線棒接頭接觸不良故障時，首先應檢查確認前端溫度傳感器以及測量回路是否有異常；雖然作為一種間接的計算分析判斷故障的方法，不可能保證百分之百的準確，但作為設備異常故障原因判斷分析的輔助手段[10]，可為確定設備故障原因指出方向，或排除定子線棒接頭接觸不良故障。在水電機組由計劃檢修逐步過渡到狀態檢修[11]的時期，如何通過數據分析挖掘設備潛力、評估設備狀態、提前進行設備故障預警，是行業內亟待解決的問題，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，在行業內具有一定的應用推廣價值。