基于磁热耦合特性的水轮发电机定子温度预测

　　摘 要：为避免水轮发电机运行过程由于定子温度过高产生故障，保障其性能的正常发挥，建立了水轮发电机温度场分布模型，提出了一种温度预测方法。首先，以张河湾抽水蓄能电站的水轮发电机为基础，依据電磁场理论，对发电机在工况下电磁场和定子部分损耗进行分析，建立其三维有限元模型;其次，运用磁热耦合特性计算获得发电机定子温度场分布;再次，采用人工鱼群算法(AFSA)和BP神经网络算法相结合，构造定子绕组和定子顶部的温度预测模型;最后，将仿真结果和监控改造后的实测数据进行对比验证。结果表明，通过人工鱼群算法对BP神经网络优化，提高了定子温度预测模型的精度。本文给出了有限元仿真模型和AFSA-BP温度预测模型，为大功率水轮发电机定子温度故障分析以及电机的设计优化提供了参考。

　　关键词：数据处理;定子损耗;有限元分析;磁热耦合;人工鱼群算法

　　近年来，中国针对大型水轮机各方面的研究都取得了很大进展。张大为等[8]针对大型水轮发电机的定子温度分布问题进行了计算，并结合有限元方法进行验证;韩力等[9]建立2D模型，针对大型水轮机的损耗和发热问题进行研究，分析了水轮发电机转子电磁场及温度场的变化情况;HAMEYER等[10]探索了计算温度各耦合场之间的联系，并对耦合场计算方法进行了分类，提出强、弱耦合关系的概念;安然等[11]应用FE和LPTN，使电机物理场的研究由单维向多维发展，计算精度得到了提高。

　　伴随人工智能和机器学习的快速发展，衍生出来的针对电机运行温度预测算法的应用越来越广泛。岑岗等[12]提出了一种基于PPO算法和RL网络的永磁同步电机温度预测模型，具有很高的精度和可靠性;侯冶等[13]以保证牵引电机安全运行为目的，以牵引电机运行数据为基础，采用非线性自回归神经网络对电机进行温度预测;潘柏根等[14]探究了应用无感线圈对电机进行在线监测和监控;周龙南等[15]对定子绕组温度进行监测，探究了其变化规律，提出了定子绕组温度的检测方法。

　　河北张河湾蓄能发电站是河北最大的抽水蓄能电站，是河北南部电网的重要组成部分之一。本文以张河湾蓄能发电站提供的资料和数据为基础，在已有研究的基础上，采用有限元仿真与算法相结合的分析思路预测发动机定子温度，以期为电机定子温度故障分析和监控确定提供参考。

　　1 电机模型的建立

　　以张河湾抽水蓄能公司额定容量为278 MVA的立轴半伞式水轮发电机为研究对象，考虑到电机的复杂程度，为了便于计算，在符合客观运行条件下，对文中的设计模型进行了设定：首先假设电机的磁场在轴向分布均匀，在2D模型中对电机电磁场进行分析和计算，由于资源有限，为简化计算量，假设定子线圈，定子铁芯中没有涡流，由此可以认为该发电机的磁场为稳定的磁场。采用Ansoft Maxwell软件建立了三维电机模型，如图1所示，通过仿真进行有限元分析，在仿真结果中得到该发电机的电磁性能曲线。

　　假设本文发电机模型中铁芯的磁导率各向同性，根据有限元计算模型，获得发电机的内部磁感线和磁通密度云图，如图2、图3所示。

　　从图2可以看出，在额定工况的某一时刻，磁感线都是闭合的回路，依次穿过所在的磁极、气隙和铁芯，最后进入下一个磁极，形成磁场，绝大多数的磁力线都按照该路径形成磁场。由图3磁通密度云图可以看出，2个相邻绕组中间部分磁通密度相对较大。

　　为了提高计算准确度，在仿真过程中对转子和定子间气隙中的磁力线的密度和分布进行分析，需了解定子绕组中的磁势谐波产生的附加损耗，应用数值分析中的迭代计算法，通过仿真得到气隙上磁通密度如图4所示。由图4可以看出，气隙磁通密度的平均值为2.651 T。同时由图3可以看到，定子铁芯处的磁通密度最大值为3～4 T，而在转子永磁体磁极之间的磁通密度较大，最大值可达8 T，与电机实际情况相符。

　　跟常规发电机一样，水轮发电机的热量主要来源于定子的铁芯损耗，其主要由2部分组成：磁滞损耗和涡流损耗[16]。除了主谐波以外的谐波层层相加，在定子与转子间的固体上产生损耗，即涡流损耗。涡流损耗正比于转速平方，磁滞损耗正比于转速。对于永磁类电机的分析，铁耗在整个电机损耗中占有很重要的地位。针对定子损耗进行分析计算如下。

　　不考虑集肤效应时，铁芯损耗的计算公式[17]为

　　Pv=Ph+Pc+Pe=afBm2+bfBm2+cf1.5Bm1.5，(1)

　　式中：Ph为磁滞损耗;Pc为涡流损耗;Pe为附加损耗;Bm为磁通密度幅值;a，b，c分别为磁滞损耗系数、涡流损耗系数和异常损耗系数，其中

　　c=π2γd26ρ，(2)

　　式中γ，d，ρ分别为电导率、硅钢片的厚度和铁磁材料的密度。

　　定子铁芯中硅钢片的铁芯损耗计算公式为

　　PFe=kaPvGFe，(3)

　　式中：GFe为水轮发電机中定子铁芯中硅钢片的质量;ka为经验系数。

　　定子轭部损耗系数的计算公式为

　　Phej=afBjm2+bfBjm2+cfBjm1.5，(4)

　　式中Bj为定子轭部的磁通密度。

　　定子轭部铁耗的计算公式为

　　PFej=kaphejGj，(5)

　　式中：Gj为定子轭部的质量;ka为系数，对于同步电机，当容量PN≥100 kVA时，ka=1.3。

　　定子齿部的损耗系数为

　　phet=afBtm2+bfBtm2+cffBtm1.5。(6)

　　定子齿部的铁耗计算公式为

　　pFet=kaphetGt，(7)

　　式中：Gt为定子齿的质量;ka为系数，对于同步电机，当容量PN≥100 kVA时，ka=1.7。

　　经过有限元计算，得到定子的各部分磁通密度，代入上述公式中，经计算得到发电机定子各部分损耗如下：在空载情况下，齿部的损耗为293 kW，轭部损耗为319 kW;计算过程中，选取轭部的经验系数为1.39，齿部的经验系数为1.62。经过计算可知，定子齿部铁耗为309 kW，定子轭部的铁耗为319 kW。

　　2 定子温度的仿真与分析

　　电机的磁热耦合方法一般有2种：单项耦合和双项耦合。单项耦合先计算电磁场，获得损耗，再将损耗结果施加到电机各部分，进而在温度场中计算分析;双项耦合先进行磁场分析，再进行电磁计算，把结果导入温度场分析，然后再将温度场的计算结果反馈回电磁场，修改相关的电磁材料与温度相关的属性参数后再次计算、求解，直到达到收敛为止。单项耦合的优点是速度快，节省时间，仿真效率高;双项耦合虽然更加准确，但是对计算机要求高、计算量大、仿真效率低。故本文采用单项耦合对电机进行温度分析[18-20]。

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文章名称： 基于磁热耦合特性的水轮发电机定子温度预测

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