CN108254687A - 汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法。该方法包括：构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，并建立对应的发电机定子直线段温度场计算模型；计算空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，并将各损耗转化为热密，再将热密附加至温度场计算模型的对应部位；对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，得到相应的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场；根据计算出的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，得到主绝缘不同脱壳程度下的定子温度分布规律，根据定子温度分布规律，对定子主绝缘故障进行检测。本发明提出了一种监测发电机定子主绝缘脱壳故障具体情况的新思路。

Description

汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法

技术领域

本发明涉及汽轮发电机技术领域，尤其涉及一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法。

背景技术

大型空冷汽轮发电机在运行时，长期受到电、热、机和环境的影响，其主绝缘会产生裂痕、缝隙甚至脱壳的故障。当脱壳达到一定程度时，会产生不同程度的放电，严重影响汽轮发电机的正常运行。

汽轮发电机是电网的主要装备之一，是电能的直接生产者，约80％的电能由汽轮发电机产生，汽轮发电机的安全运行直接关系的国民经济、生活的健康发展。而且，汽轮发电机的造价少则数千万，多则达数亿元，因此，保证汽轮发电机的正常运行，直接或间接的关系着国民经济的健康发展。在实际生活中，约有1/3的大型电机故障是由电气绝缘引起的。

目前，针对汽轮发电机定子主绝缘脱壳方面的温度场研究，主要是采用半齿半槽半个叠片段的实体模型，利用有限元方法，计算了主绝缘脱壳后及导热系数降低的二维温度场问题。这里虽然建立了三维温度场模型，但并未考虑主绝缘沿轴向脱壳程度对电机定子温度分布的影响。而且，将排间绝缘默认为绝热面是需要进一步做分析的。另外，相关科学家也提出监测层间绝缘的温度难以监测定子主绝缘故障情况。

现有技术中，一种对汽轮发电机主绝缘脱壳故障进行监测的方法是：监测定子层间绝缘的温度来判断其脱壳故障，而相关文献指出，当定子主绝缘发生脱壳故障时，定子层间绝缘的温度并没有变化规律，不能较好的监测定子主绝缘故障是否已经发生。

因此，很有必要探究汽轮发电机的绝缘故障机理，建立新的汽轮发电机定子模型，并提出新的汽轮发电机故障监测方法，对电机定子的主绝缘脱壳故障进行监测。

发明内容

本发明实施例提供了一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，以实现更加准确判断电机定子的主绝缘脱壳故障。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，该方法包括：构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，并对所述三维实体模型进行网格划分，建立对应的发电机定子直线段温度场计算模型；

计算空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，并将所述股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗分别转化为热密，再将热密附加至所述温度场计算模型的对应部位；

对所述发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，得到相应的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场；

根据所述定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，得到主绝缘不同脱壳程度下的定子温度分布规律，根据所述定子温度分布规律，对定子主绝缘故障进行检测。

优选地，所述的构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，包括：

根据空冷气轮发电机的实际结构和尺寸，建立发电机定子直线段主绝缘正常运行和不同脱壳程度的三维实体模型；

所述三维实体模型分别包括：一个定子齿、一个定子槽和两个半叠片段。

优选地，所述的对所述三维实体模型进行网格划分，建立对应的发电机定子直线段温度场计算模型，包括：

对所述发电机定子直线段实体模型进行网格划分，建立对应于所述发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型的发电机定子直线段温度场计算模型；

所述发电机定子直线段温度场计算模型，包括：定子齿、定子轭、定子上层股线、上层股线绝缘、上层排间绝缘、定子上层主绝缘、定子下层股线、下层股线绝缘、下层排间绝缘、定子下层主绝缘、层间绝缘、定子槽楔、槽楔绝缘、通风沟和脱壳间隙；

所述定子齿与所述定子轭共同构成了所述三维实体模型的主体部分，所述定子齿与所述定子轭连接，所述定子齿为一个中间有一道间隙的长方体结构，所述间隙为所述通风沟并贯穿所述定子齿和定子轭，所述定子槽楔为槽条形并在所述定子齿上构成一片矩形区域，在所述矩形区域内，所述定子上层主绝缘、定子上层股线、上层股线绝缘和上层排间绝缘依次紧密排列于矩形区域的中上部，所述定子下层主绝缘、定子下层股线、下层股线绝缘和下层排间绝缘依次紧密排列于矩形区域的中下部，所述层间绝缘位于矩形区域的中间位置，所述槽楔绝缘位于所述定子齿的顶部。

优选地，所述的计算空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，并将所述股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗分别转化为热密，再将热密附加至所述温度场计算模型的对应部位，包括：

建立所述空冷汽轮发电机定子的上下层不等股绕组的附加铜耗表达式，根据所述附加铜耗表达式，基于电磁场理论方法，计算出所述空冷气轮发电机上下层不等股绕组的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗；

设所述空冷气轮发电机的上、下层股线数分别为m+x和m-x根，则上层股线的菲尔德系数为：

ξ＝αa (2)

其中，ξ为股线的相对高度，a为导线高度，为电磁波的透入深度，I₁为第P根股线下面全部P-1股线的总电流，i_p为从槽底开始数第P根股线的电流。

当所述股线高度较小，股线的相对高度ξ在0-1之间时，有：

则上、下层的股线电流表示为：

式中，i_c为上下层股线数相同的情况下股线中的电流，i_h为下层股线电流；经过计算得到：

由此，计算得出：

下层绕组的推导公式为：

I₁＝i_h(P-1) (7)

由此，计算得出：

根据式(1)、(3)和(6)计算得到所述上层股线的菲尔德系数，根据式(1)、(3)和(8)计算得到所述下层股线的菲尔德系数；

根据所述上下层股线的菲尔德系数，基于电磁场理论方法计算出所述空冷气轮发电机上下层不等股绕组的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗；

将计算得到的所述空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，分别附加至所述发电机定子直线段温度场计算模型。

优选地，所述的对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，得到相应的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，包括：

对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分别计算出所述发电机定子直线段温度场计算模型的传热方程、边界面和进出口。

优选地，所述的对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分别计算出所述发电机定子直线段温度场计算模型的传热方程、边界面和进出口，包括：

对所述发电机定子直线段温度场计算模型，采用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程，具体满足下述式(9)～(11)：

质量守恒方程：

▽(ρv_r)＝0； (9)

动量守恒方程：

▽(ρv_r ²)+ρ(2Ω×v_r+Ω×Ω×r)＝-▽p+▽τ+F； (10)

能量守恒方程：

其中，ρ为密度，v_r为相对速度矢量，r为转动坐标系中的微元体的位置矢量，p为作用于空气微元体上的静压力，τ为因分子粘性作用而产生的作用于微元体表面的粘性应力，ρ(2Ω×v_r+Ω×Ω×r)为科里奥里力，F为微元体上的体积力，T为温度，v为绝对速度，λ为导热系数，c为定压比热，S_r为单位体积内热源产生的热量与c的比值；

利用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程如下：

式中，k为湍流动能，ε为扩散因子，ρ为流体密度，V为流体速度矢量，t为时间，G_k为紊流产生率，u_t为紊流粘性系数，G_1ε、G_2ε为常量，σ_k和σ_ε为紊流普朗克常数；

所述发电机定子直线段温度场采用流固耦合方法计算，则发电机定子直线段温度场的传热方程为：

式中，λ_x、λ_y、λ_z分别是不同方向上的传热系数；q_V为内部热源密度。

优选地，所述的对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分别计算出所述发电机定子直线段温度场计算模型的传热方程、边界面和进出口，还包括：

所述边界面包括：散热面和绝热面；

所述边界面和进出口在所述发电机定子直线段温度场的边界条件如下：

在所述发电机定子直线段温度场计算模型中，所述绝热面为四面，包括：S₁，S₂，S₃，S₄，所述绝热面分别满足以下条件：

式中，T是物体的温度，n是边界法向量；

所述散热面为两面，包括：S₅和S₆，分别满足以下条件：

式中，λ为导热系数，α为散热系数，T_f为周围环境温度；

所述进出口分别为：S₇和S₈，所述进出口分别满足入口速度和出口压力的给定条件，所述入口速度条件通过转子出风口的速度和风温计算得到，所述出口压力设置为标准大气压；

所述发电机定子入口速度的计算方式如下：

通过转子出风口的风量与转子旋转的圆周速度，得到所述定子入风口的风速为：

式中，v_akp为转子圆周速度即角速度，v_a为转子出风口的风速，v为所述定子入风口的风速；

而所述定子入风口的风温，设置为转子出风口的风温。

优选地，所述的根据所述定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，得到主绝缘不同脱壳程度下的定子温度分布规律，根据所述定子温度分布规律，对定子主绝缘故障进行检测，包括：

根据所述定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场的传热方程、边界面和进出口，得出定子的具体温度分布规律，根据定子的具体温度分布规律，对比主绝缘不同程度脱壳的温度场；

所述定子齿部在主绝缘脱壳侧和未脱壳侧的温度差异较大，温度差异的大小反应主绝缘的脱壳程度，根据温度差异的大小判断出定子主绝缘脱壳故障的具体情况。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过构建定子主绝缘沿轴向不同脱壳程度的定子温度场计算模型，利用有限体积法，分析计算定子主绝缘不同脱壳程度的温度场，比较定子主绝缘脱壳侧与未脱壳侧的齿部温度差值，根据定子齿部温度差值判断主绝缘的脱壳状况。本发明为汽轮发电机的故障诊断提供了一种新的思路，并极大的提高了监测发电机主绝缘故障的准确性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的汽轮发电机三维温度场计算模型；

图4为本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的汽轮发电机主绝缘沿轴向脱壳故障的类型，轴向脱壳：Z/4(4a)，Z/2(4b)，3Z/4(4c)，Z(4d)；

图5为本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的定子不等股绕组矩形开口槽内集肤效应解析计算示意图；

其中，1-定子齿、2-定子轭、3-定子上层股线、4-上层股线绝缘、5-上层排间绝缘、6-定子上层主绝缘、7-定子下层股线、8-下层股线绝缘、9-下层排间绝缘、10-定子下层主绝缘、11-层间绝缘、12-定子槽楔、13-槽楔绝缘、14-通风沟、15-脱壳间隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，通过计算比较定子主绝缘沿轴向不同脱壳程度下的温度场，分析得出定子主绝缘的脱壳状况，监测汽轮发电机的主绝缘脱壳故障。

本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的方法流程图如图1所示，包括如下的处理步骤：

S110：构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，并对该三维实体模型进行网格划分，建立对应的发电机定子直线段温度场计算模型。

本发明实施例根据空冷气轮发电机的实际结构和尺寸，构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，所述三维实体模型包括：一个齿、一个槽和两个半叠片段。利用该三维实体模型反映发电机定子直线段主绝缘正常运行和不同脱壳程度的情况，具体如图4所示，分别表示轴向脱壳故障的程度。

其中，图(4a)中表示的是空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向脱壳故障Z/4类型，该类型的故障表明，空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向的脱壳侧与定子齿部的面积比为：1：4。

图(4b)中表示的是空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向脱壳故障Z/2类型，该类型的故障表明，空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向的脱壳侧与定子齿部的面积比为：1：2。

图(4c)中表示的是空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向脱壳故障3Z/4类型，该类型的故障表明，空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向的脱壳侧与定子齿部的面积比为：3：4。

图(4d)中表示的是空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向脱壳故障Z类型，该类型的故障表明，空冷气轮发电机定子主绝缘沿轴向的脱壳侧与定子齿部的面积比为：1：1。

对所述发电机定子直线段的三维实体模型进行网格划分，建立对应于所述发电机定子直线段温度场实体模型的发电机定子直线段温度场计算模型。

本发明实施例提供的一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法的汽轮发电机三维温度场计算模型如图2所示，该计算模型包括：定子齿1、定子轭2、定子上层股线3、上层股线绝缘4、上层排间绝缘5、定子上层主绝缘6、定子下层股线7、下层股线绝缘8、下层排间绝缘9、定子下层主绝缘10、层间绝缘11、定子槽楔12、槽楔绝缘13、通风沟14以及脱壳间隙15。定子齿1与定子轭2共同构成了所述三维实体模型的主体部分，定子齿1与定子轭2连接，定子齿1为一个中间有一道间隙的长方体结构，所述间隙为通风沟14并贯穿定子齿1和定子轭2，定子槽楔12为槽条形并在定子齿1上构成一片矩形区域，在这片矩形区域内，定子上层主绝缘6、定子上层股线3、上层股线绝缘4和上层排间绝缘5依次紧密排列于矩形区域的中上部，定子下层主绝缘10、定子下层股线7、下层股线绝缘8和下层排间绝缘9依次紧密排列于矩形区域的中下部，层间绝缘11位于矩形区域的中间位置，槽楔绝缘13位于定子齿1的顶部。

S120：对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，得到空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，并将各损耗比上相应的体积，转化为热密，再将热密附加至所建立的温度场计算模型的对应部位。

建立空冷汽轮发电机定子上、下层不等股绕组的附加铜耗表达式，根据附加铜耗表达式，基于电磁场理论方法计算出空冷气轮发电机上下层不等股绕组的定子铜耗、铁耗以及附加损耗。

对于发电机定子直线段温度场计算模型，主要热源除了定子绕组的基本铜耗之外，还包括由于集肤效应引起的股线涡流损耗，本发明实施例提供的一种定子不等股绕组矩形开口槽内集肤效应解析图如图5所示。

在图5中，设空冷气轮发电机的上、下层股线数分别为m+x和m-x根，则上层股线的菲尔德系数为：

ξ＝αa (2)

其中，ξ为股线的相对高度，a为导线高度，为电磁波的透入深度，I₁为第P根股线下面全部P-1股线的总电流，i_p为从槽底开始数第P根股线的电流。

当股线高度较小，股线的相对高度ξ在0-1之间时，有：

上下层的股线电流，可以表示为：

式中，i_c为上下层股线数相同的情况下股线中的电流，i_h为下层股线的电流。经过计算得到：

由此，可计算得出：

下层绕组的推导公式为：

I₁＝i_h(P-1) (7)

由此，可计算得出：

式中，

根据式(1)、(3)和(6)可计算出上层股线的菲尔德系数，根据式(1)、(3)和(8)可计算出下层股线的菲尔德系数。根据上、下层股线的菲尔德系数可计算出铜耗、轭部和齿部的铁耗，利用菲尔德系数，基于电磁场理论方法计算出空冷气轮发电机上下层不等股绕组的定子铜耗、铁耗以及附加损耗，其中，铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。

定子各部件的基本损耗具体包括以下三项：三相定子绕组中的基本铜损，定子铁芯轭的铁损耗，定子齿的铁损耗。

定子各部件的谐波损耗具体包括以下三项：转子磁场高次谐波在定子表面产生的损耗，转子齿谐波在定子表面产生的损耗，转子齿谐波在定子齿中产生的脉动损耗。

损耗比上相应的体积即可计算出热密值。

S130：基于流固耦合k-ε方法，对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分析计算相应的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场。

对发电机定子直线段温度场计算模型，采用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程，具体满足下述式(9)～(11)：

质量守恒方程：

▽(ρv_r)＝0； (9)

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ为密度，v_r为相对速度矢量，r为转动坐标系中的微元体的位置矢量，p为作用于空气微元体上的静压力，τ为因分子粘性作用而产生的作用于微元体表面的粘性应力，ρ(2Ω×v_r+Ω×Ω×r)为科里奥里力，F为微元体上的体积力，T为温度，v为绝对速度，λ为导热系数，c为定压比热，S_r为单位体积内热源产生的热量与c的比值。

利用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程如下：

式中，k为湍流动能，ε为扩散因子，ρ为流体密度，V为流体速度矢量，t为时间，G_k为紊流产生率，u_t为紊流粘性系数，G_1ε、G_2ε为常量，σ_k和σ_ε为紊流普朗克常数。

发电机定子直线段温度场采用流固耦合方法计算，发电机定子直线段温度场的传热方程为：

式中，λ_x、λ_y、λ_z分别是不同方向上的传热系数；q_V为内部热源密度。

在发电机定子直线段温度场中，该温度场为一个求解区域，式(13)为该求解区域内的传热方程，该求解区域具有边界面和进出口，边界面包括：散热面和绝热面。

各边界面和进出口在发电机定子直线段温度场的边界条件如下：

在发电机定子直线段温度场计算模型中，S₁，S₂，S₃，S₄为绝热面，分别满足以下条件：

式中，T是物体的温度，n是边界法向量。

而S₅，S₆为散热面，分别满足以下条件：

式中，λ为导热系数，α为散热系数，T_f为周围环境温度。

S₇，S₈为进出口边界条件，满足入口速度和出口压力的给定条件，入口速度条件通过转子出风口的速度和风温计算得到，出口压力设置为标准大气压。

发电机定子入口速度的计算方式如下：

通过转子出风口的风量与转子旋转的圆周速度，得到定子入风口的风速为：

式中，v_akp为转子圆周速度即角速度，v_a为转子出风口的风速，v为所求的定子入风口的风速。

而定子入风口的风温，直接设置为转子出风口的风温。

S140：根据计算出的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，得到主绝缘不同脱壳程度下的定子温度分布规律，根据定子温度分布规律，对定子主绝缘故障进行检测。

计算得到的三维温度场包括：温度场的传热方程，边界面和进出口；根据这三项内容能够得出定子的具体温度分布情况。

根据定子的具体温度分布情况，对比主绝缘不同程度脱壳的温度场，能够观察到定子齿部在主绝缘脱壳侧和未脱壳侧的温度差异较大，温度差异的大小与主绝缘的脱壳程度有关，据此，根据温度差异的大小判断出定子主绝缘脱壳故障的具体情况。

实施例二

该发明实施例提供了一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障监测的方法，其处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：

根据一台150MW的空冷气轮发电机的实际结构和尺寸，建立发电机定子直线段主绝缘正常运行和不同脱壳程度的一个齿、一个槽、两个半叠片段的三维实体模型，其脱壳类型，如图4所示。对所述发电机定子直线段实体模型进行网格划分，建立对应于所述发电机定子直线段温度场实体模型的发电机定子直线段温度场计算模型，如图3。

在图3中，所述发电机定子直线段温度场计算模型包括：定子齿1、定子轭2、定子上层股线3、上层股线绝缘4、上层排间绝缘5、定子上层主绝缘6、定子下层股线7、下层股线绝缘8、下层排间绝缘9、定子下层主绝缘10、层间绝缘11、定子槽楔12、槽楔绝缘13、通风沟14以及脱壳间隙15。

建立空冷汽轮发电机定子上、下层不等股绕组的附加铜耗表达式，根据附加铜耗表达式，基于电磁场理论方法计算出空冷气轮发电机上下层不等股绕组的定子铜耗、铁耗以及附加损耗。

用本发明实施例的方法进行汽轮发电机主绝缘脱壳故障监测的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

计算出空冷气轮发电机上下层不等股绕组的定子铜耗、铁耗以及附加损耗，根据定子铜耗、铁耗以及附加损耗计算出热密，将热密设置于定子绕组的相应部位；计算出空冷气轮发电机的施加于定子的入口边界条件，并将入口边界条件设置于入口处；将发电机定子直线段温度场的计算模型设置相应的材料、边界条件，采用三维流-固耦合方法计算得出的主绝缘沿轴向不同脱壳程度的定子温度场的计算结果设置于温度场内；根据温度场比较主绝缘脱壳侧与未脱壳侧的定子齿部的温度差值，即可判定出定子主绝缘的脱壳状况。

本发明实施例提供的监测大型汽轮发电机定子主绝缘脱壳故障的方法，是以大型空冷汽轮发电机定子的新模型为例；但该方法不仅仅局限于空冷汽轮发电机的定子部分，同时适用于任意种类电机的主绝缘故障的监测，具有广泛的适用性。但本发明实施例不太适用于小型电机和大型同步电机的转子部分，因为在小型电机中，可能会有温差不明显的情况；而在大型同步电机的转子部分，主绝缘比较薄，齿部温差不明显。

本发明提供的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，与传统的监测方法相比，有以下优点：

本发明通过建立定子主绝缘沿轴向不同脱壳程度的定子温度场计算模型，得出以下结论：定子主绝缘脱壳越严重，其主绝缘脱壳侧与未脱壳侧的齿部温度差越大。因此，通过监测定子齿部的温度，不仅可以监测到定子主绝缘是否发生脱壳，而且可以大致预测出定子主绝缘脱壳的具体严重程度。

综上所述，本发明实施例通过构建定子主绝缘沿轴向不同脱壳程度的定子温度场计算模型，利用有限体积法，分析计算定子主绝缘不同脱壳程度的温度场，比较定子主绝缘脱壳侧与未脱壳侧的齿部温度差值，根据定子齿部温度差值判断主绝缘的脱壳状况。本发明为汽轮发电机的故障诊断提供了一种新的思路，并极大的提高了监测发电机主绝缘故障的准确性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，该方法包括：构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，并对所述三维实体模型进行网格划分，建立对应的发电机定子直线段温度场计算模型；

计算空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，并将所述股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗分别转化为热密，再将热密附加至所述温度场计算模型的对应部位；

对所述发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，得到相应的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场；

根据所述定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，得到主绝缘不同脱壳程度下的定子温度分布规律，根据所述定子温度分布规律，对定子主绝缘故障进行检测。

2.根据权利要求1所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的构建空冷气轮发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型，包括：

根据空冷气轮发电机的实际结构和尺寸，建立发电机定子直线段主绝缘正常运行和不同脱壳程度的三维实体模型；

所述三维实体模型分别包括：一个定子齿、一个定子槽和两个半叠片段。

3.根据权利要求1所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的对所述三维实体模型进行网格划分，建立对应的发电机定子直线段温度场计算模型，包括：

对所述发电机定子直线段实体模型进行网格划分，建立对应于所述发电机定子直线段主绝缘不同脱壳程度的三维实体模型的发电机定子直线段温度场计算模型；

所述发电机定子直线段温度场计算模型，包括：定子齿、定子轭、定子上层股线、上层股线绝缘、上层排间绝缘、定子上层主绝缘、定子下层股线、下层股线绝缘、下层排间绝缘、定子下层主绝缘、层间绝缘、定子槽楔、槽楔绝缘、通风沟和脱壳间隙；

所述定子齿与所述定子轭共同构成了所述三维实体模型的主体部分，所述定子齿与所述定子轭连接，所述定子齿为一个中间有一道间隙的长方体结构，所述间隙为所述通风沟并贯穿所述定子齿和定子轭，所述定子槽楔为槽条形并在所述定子齿上构成一片矩形区域，在所述矩形区域内，所述定子上层主绝缘、定子上层股线、上层股线绝缘和上层排间绝缘依次紧密排列于矩形区域的中上部，所述定子下层主绝缘、定子下层股线、下层股线绝缘和下层排间绝缘依次紧密排列于矩形区域的中下部，所述层间绝缘位于矩形区域的中间位置，所述槽楔绝缘位于所述定子齿的顶部。

4.根据权利要求1所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的计算空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，并将所述股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗分别转化为热密，再将热密附加至所述温度场计算模型的对应部位，包括：

建立所述空冷汽轮发电机定子的上下层不等股绕组的附加铜耗表达式，根据所述附加铜耗表达式，基于电磁场理论方法，计算出所述空冷气轮发电机上下层不等股绕组的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗；

设所述空冷气轮发电机的上、下层股线数分别为m+x和m-x根，则上层股线的菲尔德系数为：

ξ＝αa (2)

其中，ξ为股线的相对高度，a为导线高度，为电磁波的透入深度，I₁为第P根股线下面全部P-1股线的总电流，i_p为从槽底开始数第P根股线的电流。

当所述股线高度较小，股线的相对高度ξ在0-1之间时，有：

则上、下层的股线电流表示为：

式中，i_c为上下层股线数相同的情况下股线中的电流，i_h为下层股线电流；经过计算得到：

由此，计算得出：

下层绕组的推导公式为：

I₁＝i_h(P-1) (7)

由此，计算得出：

根据式(1)、(3)和(6)计算得到所述上层股线的菲尔德系数，根据式(1)、(3)和(8)计算得到所述下层股线的菲尔德系数；

根据所述上下层股线的菲尔德系数，基于电磁场理论方法计算出所述空冷气轮发电机上下层不等股绕组的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗；

将计算得到的所述空冷汽轮发电机的股线铜耗、齿部铁耗和轭部铁耗，分别附加至所述发电机定子直线段温度场计算模型。

5.根据权利要求1所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，得到相应的定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，包括：

对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分别计算出所述发电机定子直线段温度场计算模型的传热方程、边界面和进出口。

6.根据权利要求5所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分别计算出所述发电机定子直线段温度场计算模型的传热方程、边界面和进出口，包括：

对所述发电机定子直线段温度场计算模型，采用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程，具体满足下述式(9)～(11)：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ为密度，v_r为相对速度矢量，r为转动坐标系中的微元体的位置矢量，p为作用于空气微元体上的静压力，τ为因分子粘性作用而产生的作用于微元体表面的粘性应力，ρ(2Ω×v_r+Ω×Ω×r)为科里奥里力，F为微元体上的体积力，T为温度，v为绝对速度，λ为导热系数，c为定压比热，S_r为单位体积内热源产生的热量与c的比值；

利用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程如下：

式中，k为湍流动能，ε为扩散因子，ρ为流体密度，V为流体速度矢量，t为时间，G_k为紊流产生率，u_t为紊流粘性系数，G_1ε、G_2ε为常量，σ_k和σ_ε为紊流普朗克常数；

所述发电机定子直线段温度场采用流固耦合方法计算，则发电机定子直线段温度场的传热方程为：

式中，λ_x、λ_y、λ_z分别是不同方向上的传热系数；q_V为内部热源密度。

7.根据权利要求5所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的对发电机定子直线段温度场计算模型进行计算，分别计算出所述发电机定子直线段温度场计算模型的传热方程、边界面和进出口，还包括：

所述边界面包括：散热面和绝热面；

所述边界面和进出口在所述发电机定子直线段温度场的边界条件如下：

在所述发电机定子直线段温度场计算模型中，所述绝热面为四面，包括：S₁，S₂，S₃，S₄，所述绝热面分别满足以下条件：

式中，T是物体的温度，n是边界法向量；

所述散热面为两面，包括：S₅和S₆，分别满足以下条件：

式中，λ为导热系数，α为散热系数，T_f为周围环境温度；

所述进出口分别为：S₇和S₈，所述进出口分别满足入口速度和出口压力的给定条件，所述入口速度条件通过转子出风口的速度和风温计算得到，所述出口压力设置为标准大气压；

所述发电机定子入口速度的计算方式如下：

通过转子出风口的风量与转子旋转的圆周速度，得到所述定子入风口的风速为：

式中，v_akp为转子圆周速度即角速度，v_a为转子出风口的风速，v为所述定子入风口的风速；

而所述定子入风口的风温，设置为转子出风口的风温。

8.根据权利要求1所述的汽轮发电机主绝缘脱壳故障的监测方法，其特征在于，所述的根据所述定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场，得到主绝缘不同脱壳程度下的定子温度分布规律，根据所述定子温度分布规律，对定子主绝缘故障进行检测，包括：

根据所述定子主绝缘不同脱壳程度的三维温度场的传热方程、边界面和进出口，得出定子的具体温度分布规律，根据定子的具体温度分布规律，对比主绝缘不同程度脱壳的温度场；

所述定子齿部在主绝缘脱壳侧和未脱壳侧的温度差异较大，温度差异的大小反应主绝缘的脱壳程度，根据温度差异的大小判断出定子主绝缘脱壳故障的具体情况。