摘 要：為避免水輪發電機運行過程由于定子溫度過高產生故障，保障其性能的正常發揮，建立了水輪發電機溫度場分布模型，提出了一種溫度預測方法。首先，以張河灣抽水蓄能電站的水輪發電機為基礎，依據電磁場理論，對發電機在工況下電磁場和定子部分損耗進行分析，建立其三維有限元模型;其次，運用磁熱耦合特性計算獲得發電機定子溫度場分布;再次，采用人工魚群算法(AFSA)和BP神經網絡算法相結合，構造定子繞組和定子頂部的溫度預測模型;最后，將仿真結果和監控改造后的實測數據進行對比驗證。結果表明，通過人工魚群算法對BP神經網絡優化，提高了定子溫度預測模型的精度。本文給出了有限元仿真模型和AFSA-BP溫度預測模型，為大功率水輪發電機定子溫度故障分析以及電機的設計優化提供了參考。

　　關鍵詞：數據處理;定子損耗;有限元分析;磁熱耦合;人工魚群算法

　　近年來，中國針對大型水輪機各方面的研究都取得了很大進展。張大為等[8]針對大型水輪發電機的定子溫度分布問題進行了計算，并結合有限元方法進行驗證;韓力等[9]建立2D模型，針對大型水輪機的損耗和發熱問題進行研究，分析了水輪發電機轉子電磁場及溫度場的變化情況;HAMEYER等[10]探索了計算溫度各耦合場之間的聯系，并對耦合場計算方法進行了分類，提出強、弱耦合關系的概念;安然等[11]應用FE和LPTN，使電機物理場的研究由單維向多維發展，計算精度得到了提高。

　　伴隨人工智能和機器學習的快速發展，衍生出來的針對電機運行溫度預測算法的應用越來越廣泛。岑崗等[12]提出了一種基于PPO算法和RL網絡的永磁同步電機溫度預測模型，具有很高的精度和可靠性;侯冶等[13]以保證牽引電機安全運行為目的，以牽引電機運行數據為基礎，采用非線性自回歸神經網絡對電機進行溫度預測;潘柏根等[14]探究了應用無感線圈對電機進行在線監測和監控;周龍南等[15]對定子繞組溫度進行監測，探究了其變化規律，提出了定子繞組溫度的檢測方法。

　　河北張河灣蓄能發電站是河北最大的抽水蓄能電站，是河北南部電網的重要組成部分之一。本文以張河灣蓄能發電站提供的資料和數據為基礎，在已有研究的基礎上，采用有限元仿真與算法相結合的分析思路預測發動機定子溫度，以期為電機定子溫度故障分析和監控確定提供參考。

　　1 電機模型的建立

　　以張河灣抽水蓄能公司額定容量為278 MVA的立軸半傘式水輪發電機為研究對象，考慮到電機的復雜程度，為了便于計算，在符合客觀運行條件下，對文中的設計模型進行了設定：首先假設電機的磁場在軸向分布均勻，在2D模型中對電機電磁場進行分析和計算，由于資源有限，為簡化計算量，假設定子線圈，定子鐵芯中沒有渦流，由此可以認為該發電機的磁場為穩定的磁場。采用Ansoft Maxwell軟件建立了三維電機模型，如圖1所示，通過仿真進行有限元分析，在仿真結果中得到該發電機的電磁性能曲線。

　　假設本文發電機模型中鐵芯的磁導率各向同性，根據有限元計算模型，獲得發電機的內部磁感線和磁通密度云圖，如圖2、圖3所示。

　　從圖2可以看出，在額定工況的某一時刻，磁感線都是閉合的回路，依次穿過所在的磁極、氣隙和鐵芯，最后進入下一個磁極，形成磁場，絕大多數的磁力線都按照該路徑形成磁場。由圖3磁通密度云圖可以看出，2個相鄰繞組中間部分磁通密度相對較大。

　　為了提高計算準確度，在仿真過程中對轉子和定子間氣隙中的磁力線的密度和分布進行分析，需了解定子繞組中的磁勢諧波產生的附加損耗，應用數值分析中的迭代計算法，通過仿真得到氣隙上磁通密度如圖4所示。由圖4可以看出，氣隙磁通密度的平均值為2.651 T。同時由圖3可以看到，定子鐵芯處的磁通密度最大值為3～4 T，而在轉子永磁體磁極之間的磁通密度較大，最大值可達8 T，與電機實際情況相符。

　　跟常規發電機一樣，水輪發電機的熱量主要來源于定子的鐵芯損耗，其主要由2部分組成：磁滯損耗和渦流損耗[16]。除了主諧波以外的諧波層層相加，在定子與轉子間的固體上產生損耗，即渦流損耗。渦流損耗正比于轉速平方，磁滯損耗正比于轉速。對于永磁類電機的分析，鐵耗在整個電機損耗中占有很重要的地位。針對定子損耗進行分析計算如下。

　　不考慮集膚效應時，鐵芯損耗的計算公式[17]為

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

　　式中：Ph為磁滯損耗;Pc為渦流損耗;Pe為附加損耗;Bm為磁通密度幅值;a，b，c分別為磁滯損耗系數、渦流損耗系數和異常損耗系數，其中

　　c=π2γd26ρ，(2)

　　式中γ，d，ρ分別為電導率、硅鋼片的厚度和鐵磁材料的密度。

　　定子鐵芯中硅鋼片的鐵芯損耗計算公式為

　　PFe=kaPvGFe，(3)

　　式中：GFe為水輪發電機中定子鐵芯中硅鋼片的質量;ka為經驗系數。

　　定子軛部損耗系數的計算公式為

　　Phej=afBjm2+bfBjm2+cfBjm1.5，(4)

　　式中Bj為定子軛部的磁通密度。

　　定子軛部鐵耗的計算公式為

　　PFej=kaphejGj，(5)

　　式中：Gj為定子軛部的質量;ka為系數，對于同步電機，當容量PN≥100 kVA時，ka=1.3。

　　定子齒部的損耗系數為

　　phet=afBtm2+bfBtm2+cffBtm1.5。(6)

　　定子齒部的鐵耗計算公式為

　　pFet=kaphetGt，(7)

　　式中：Gt為定子齒的質量;ka為系數，對于同步電機，當容量PN≥100 kVA時，ka=1.7。

　　經過有限元計算，得到定子的各部分磁通密度，代入上述公式中，經計算得到發電機定子各部分損耗如下：在空載情況下，齒部的損耗為293 kW，軛部損耗為319 kW;計算過程中，選取軛部的經驗系數為1.39，齒部的經驗系數為1.62。經過計算可知，定子齒部鐵耗為309 kW，定子軛部的鐵耗為319 kW。

　　2 定子溫度的仿真與分析

　　電機的磁熱耦合方法一般有2種：單項耦合和雙項耦合。單項耦合先計算電磁場，獲得損耗，再將損耗結果施加到電機各部分，進而在溫度場中計算分析;雙項耦合先進行磁場分析，再進行電磁計算，把結果導入溫度場分析，然后再將溫度場的計算結果反饋回電磁場，修改相關的電磁材料與溫度相關的屬性參數后再次計算、求解，直到達到收斂為止。單項耦合的優點是速度快，節省時間，仿真效率高;雙項耦合雖然更加準確，但是對計算機要求高、計算量大、仿真效率低。故本文采用單項耦合對電機進行溫度分析[18-20]。