发电机定子线棒接头接触不良故障分析方法

张兴明，吴明波，张 宏，邢志江，杨昶宇

（华能澜沧江水电股份有限公司，云南省昆明市 650000）

0 引言

水轮发电机定子主要由基座、铁芯和三相绕组线棒等组成，三相绕组线棒嵌装在铁芯的齿槽内[1]。定子铁芯上、下层定子线棒的连接、极间连线的连接及引出线的连接，均由定子线棒两端的接头来实现。大型水轮发电机定子线棒接头数量多达上百个，且随着单机容量的不断增大流经每个接头的电流也在不断增加，小则数千安培，大则上万安培[2]。由于接头焊接工艺、材质等原因造成的定子线棒[3]接头接触不良，将导致各定子线棒阻值和电流大小不一、接头温度升高、绝缘下降等，严重的会导致定子线棒击穿、接头松脱等机组保护跳闸事故，且因定子线棒接头接触不良导致的事故处理都需要消耗较长的时间。定子线棒接头处空间密闭、狭小，现场工作人员日常巡检很难进行逐一检查，很难发现发电机定子线棒接头接触不良故障。因此，可靠的定子线棒接头接触状态监测尤为重要。

由于发电机定子线棒接头接触不良严重危害发电机运行，目前发电机定子线棒接头接触状态主要监测手段技术一是通过超声波发射装置进行检测接头接触状态；二是利用检修时将绕组串接起来，进行电流注入试验[4]，并对定子线棒各接头处温度进行测量来判断是否存在接头松动[5]。通过超声波检查定子线棒接头是比较可靠的，能有效发现绝缘包裹内的接头是否接触良好，但由于大型发电机组的定子线棒接头有上百个，且空间密闭、狭小，要对每个接头进行超声波检测绝非易事，不仅要耗费大量的时间，而且只能在机组停机或检修时才能进行检测，耗费机组运行时间就是降低电厂效益。在检修期通过电流注入试验，测量各接头的温度来判断接头松动，也是只能在机组检修期完成，而且一般只有在大修时才有条件进行试验。目前还没有根据机组的运行状态实时诊断分析定子线棒接头接触状态方法。因此及时检测分析发电机众多定子线棒接头接触状态，是保证发电机正常运行的重要环节。

为了准确诊断发电机定子线棒接头接触不良故障，避免因定子线棒接触不良故障造成设备停机，本分析方法通过实时采集定子线棒和定子铁芯温度值，建立数学分析模型，对定子线棒接头接触不良故障进行分析检测。

1 本定子线棒接头接触不良故障分析方法原理

电气设备运行时，在电流和电压的双重作用之下，产生功率损耗，分别可由电阻的损耗从而引起发热、设备的介质方面损耗引起发热以及设备铁损产生致热等[6]。发电机定子结构示意图见图1，机组正常发电时，电流流过线棒进行汇聚，因此定子线棒温度略高于定子铁芯温度，理论上各定子线棒温度基本相等，各定子铁芯温度基本相等。本故障分析方法原理如下：

图1 发电机定子结构图Figure 1 Structure drawing of generator stator

（1） 发电机正常稳定运行时，定子线棒、定子铁芯各温度处于一个相对稳定的状态，若某一定子线棒的接头部位接触不良，此处的电阻比其他正常地方的电阻要大得多，根据焦耳定律电阻性导体发热量与电阻关系Q=I2Rt，这个接触不良部分的产生热量比其他地方就会多得多，从而产生局部过热现象，即该定子线棒部位发热严重[7]，定子线棒温度最大值增大（可达90℃以上），但定子铁芯和定子线棒其他部位温度变化较小。

（2） 导致定子线棒温度上升原因有很多，如电磁拉力不平衡、定子振动过大、定子铁芯涡流、发电机电晕、空气冷却异常等[8]，定子线棒和定子铁芯整体或部分测点温度均会升高。为排除其他故障原因造成的定子线棒温度、定子铁芯温度升高，引入定子线棒温度偏差（定子线棒温度最大值-定子线棒温度平均值）和定子线棒与定子铁芯最大温度差（定子线棒温度最大值-定子铁芯温度最大值）增大作为判断条件。若其他故障导致的定子线棒、定子铁芯平均温度升高，定子线棒温度偏差基本不会增大，同时定子线棒与定子铁芯最大温度差也不会增大。

（3） 机组正常运行时，线棒温度最大值、线棒温度偏差、定子线棒铁芯最大温度差这三个计算值应基本稳定。当出现故障时，定子线棒上端或下端单点温度逐渐增大，即定子线棒温度最大值、定子线棒温度偏差值、定子线棒与定子铁芯最大温度差值，这三个值同时增大。

（4） 建立的数学分析模型故障判断流程见图2。

图2 故障分析判断逻辑流程图Figure 2 Logic flow chart of fault analysis and judgment

2 本分析方法实施步骤

2.1 实时数据获取

目前水电厂计算机监控系统均已实现了水轮发电机组及辅助设备绝大部位的监测数据采集，本分析方法所需数据定子线棒和铁芯各测点温度数据可直接通过计算机监控系统进行查询所得。

2.2 主要实时监视量提取步骤

（1）计算出对应时刻的线棒温度最大值，所有线棒温度平均值。

（2）计算线棒温度偏差值：根据计算的对应时刻线棒温度最大值减去线棒温度平均值。

（3）计算出对应时刻的铁芯温度最大值。

（4）计算定子线棒铁芯最大温度差值：对应时刻的线棒温度最大值减去铁芯温度最大值。

2.3 计算结果分析判断

（1）根据实际运行经验，当提取的线棒温度最大值、线棒温度偏差值、定子线棒铁芯最大温度差值超过一定限值时可判断为定子线棒异常。

（2）核对设备图纸及设备，若定子线棒最大温度测点位于定子线棒上端或下端接头处，则说明水轮发电机组存在定子线棒接头接触不良故障。

（3）根据分析的结果及时开展停机检查及处理工作。

2.4 批量数据处理分析

电气设备长期运行后，由于振动、腐蚀、氧化和发热，部件和导线接头处可能出现松动，导致接触不良，造成局部升温，温度升高后接触不良部位的物理性能进一步恶化，接触电阻也进一步增大，从而形成恶性循环，当这种恶性循环发展到一定程度，造成连接部位出现虚接，不能承载足够的电压或电流时，就会发生接触不良故障，进而引发设备故障或事故[9]。实际分析过程中，单纯的一组数据很难准确判定子线棒接头接触不良故障，而且接触不良故障往往是一段时间设备异常发展趋势导致。因此往往需要一段时间大量的数据进行计算分析并生成相应的设备状态趋势图，以此增加故障分析方法的准确性，因此可借助计算机进行辅助运算，本分析方法可借助Excel表格进行批量数据计算分析。

3 本故障分析方法具体实践应用

2020年2月某水电厂5号机组运行时定子线棒61号温度越高限报警，根据本方法进行了定子线棒接头接触不良计算分析。该发电机定子线棒共144个部位测点，定子铁芯共54个部位测点，通过计算机监控系统查询到该时刻的各部位定子线棒与定子铁芯的温度值，定子线棒温度1～144号见表1，定子铁芯温度1～54号见表2。分析结果如下：

表1 定子线棒温度Table 1 Stator bar temperature

表2 定子铁芯温度Table 2 Stator core temperature

续表

根据本故障分析方法：

（1） 计算得到定子线棒平均温度：

其中，i=1，2，3，…，144。

（2） 找出定子线棒最大温度值为61号91.2℃、定子铁芯温度最大值为4号55.9℃。

（3） 计算定子线棒温度偏差值：

（4） 计算定子线棒与定子铁芯最大温度差值t最大：

（5） 为进一步确认计算结果，通过采集发电机定子线棒及铁芯一天12个不同时刻的温度值进行检验分析，计算结果见表3。

表3 不同时刻计算分析结果Table 3 Calculation and analysis results at different times

（6） 通过多个不同时刻采集的温度计算结果分析：

1）定子线棒最大温度值T线棒最大在92℃左右，远大于日常运行60℃左右。

2）计算的定子线棒温偏差值t偏在34℃左右，远大于日常运行4℃左右。

3）计算定子线棒与定子铁芯最大温度差值t最大在36℃左右，远大于日常运行5℃左右。

4）通过核对设备图纸及设备，确定61号的测点位于定子线棒下端接头处。

5）为进一步确定是否存在定子线棒接头接触不良故障，通过查询1～2月时间段各定子线棒及铁芯温度，借助Excel表格进行数据趋势分析，结果见图3。

图3 故障分析关联量趋势图Figure 3 Trend chart of fault analysis correlation quantity

通过趋势图可看出，定子线棒最大温度、线棒温度偏差、线棒铁芯最大温度差从1月开始，呈逐渐上升趋势，线棒平均温度略微上涨变化不大。

6）通过对61号定子线棒温度测量回路检查，测量回路无异常，根据故障分析原理及计算分析的结果判断该水轮发电机组存在定子线棒接头接触不良故障。

（7） 电厂及时制定了检查措施，经电厂进一步现地确认，确实存在61号接头处接触不良故障，电厂对接头重新进行补焊及绝缘包裹处理。

（8） 处理后再次计算的定子线棒温度最大值61.9℃、定子线棒温度偏差值4.01℃、定子线棒与定子铁芯最大温度差值5.9℃，已经降至正常运行范围。

4 结语

发电机组运行时，定子线棒都是在密闭的风洞内，空间狭窄，定子线棒接头数量众多且被绝缘包裹，因此运行人员日常巡检无法判断定子线棒接头接触状态。本故障分析方法通过计算线棒温度最大值、线棒温度偏差、定子线棒铁芯最大温度差这三个监测量值来判断是否存在定子线棒接头接触不良故障，而不必再去检测分析近两百个温度测点。本分析方法也可通过计算机获取实时数据，进行在线实时分析，实时判断发电机定子线棒接头接触状态。

本分析方法前提是建立在前端数据采集的准确性与正确性，必须保证所采集发电机线棒及铁芯温度数据与实际一一对应，当计算分析为定子线棒接头接触不良故障时，首先应检查确认前端温度传感器以及测量回路是否有异常；虽然作为一种间接的计算分析判断故障的方法，不可能保证百分之百的准确，但作为设备异常故障原因判断分析的辅助手段[10]，可为确定设备故障原因指出方向，或排除定子线棒接头接触不良故障。在水电机组由计划检修逐步过渡到状态检修[11]的时期，如何通过数据分析挖掘设备潜力、评估设备状态、提前进行设备故障预警，是行业内亟待解决的问题，本方法给出了一种定子线棒接头接触不良故障分析判断解决方案，在行业内具有一定的应用推广价值。