大型水輪發(fā)電機(jī)電氣試驗(yàn)研究及相關(guān)規(guī)程討論的認(rèn)識(shí)

摘要：水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電站主要的動(dòng)力設(shè)備，水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)之后將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其可以分為微型水輪發(fā)電機(jī)、小型水輪發(fā)電機(jī)、中型水輪發(fā)電機(jī)以及大型水輪發(fā)電機(jī)。電氣試驗(yàn)是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)安裝過(guò)程、結(jié)果質(zhì)量的重要手段，水電站建設(shè)過(guò)程中必須要做好水輪機(jī)的電氣試驗(yàn)。文章對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)電氣試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容及試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：大型水輪發(fā)電機(jī)；電氣試驗(yàn)；試驗(yàn)規(guī)程；水力發(fā)電站；動(dòng)力設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM301 文章編號(hào)：1009-2374（2017）08-0177-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.086

隨著科學(xué)技術(shù)及現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)日益加劇，這極大地推動(dòng)了水電市場(chǎng)的發(fā)展。近年來(lái)，越來(lái)越多的大型水利發(fā)電站開始投入建設(shè)運(yùn)行，水輪發(fā)電機(jī)是水利發(fā)電站中重要的動(dòng)力設(shè)備，它的正常運(yùn)行直接關(guān)系著水電站的運(yùn)行效率及運(yùn)行質(zhì)量，因此關(guān)于水輪發(fā)電機(jī)的研究課題十分受歡迎。電氣試驗(yàn)是檢驗(yàn)水輪發(fā)電機(jī)安裝質(zhì)量的重要手段，對(duì)于確保整個(gè)發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行有著十分重要的意義。水輪發(fā)電機(jī)電氣試驗(yàn)過(guò)程中需要嚴(yán)格遵守相關(guān)的技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，只有這樣才能夠保證試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度，更好地為水輪機(jī)組服務(wù)，下文就大型水輪發(fā)電機(jī)組電氣試驗(yàn)的方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探究討論，僅為行業(yè)內(nèi)有關(guān)人員的工作提供參考。

1 大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)

1.1 定子鐵芯有效面積及勵(lì)磁線圈

1.1.1 定子鐵芯有效面積計(jì)算（A）。定子鐵芯的有效面積指的是鐵芯軛部高度（L）與有效高度（h）的乘積。定子鐵芯的外徑尺寸為D1，內(nèi)徑為D2，鐵芯的高度為L(zhǎng)1，通風(fēng)溝的寬度為L(zhǎng)2，數(shù)量為n，定子槽深記為b。定子鐵芯的有效高度可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

L=K1×（L1-n×L2）

式中：K1指的是鐵芯的疊壓系數(shù)。定子鐵芯安裝過(guò)程中，具體的安裝工藝不同，鐵芯的疊壓系數(shù)可能也存在著一定的區(qū)別，一般都是由鐵芯的生產(chǎn)廠家提供的，定子鐵芯疊壓時(shí)如果采用的是熱壓工藝，鐵芯的疊壓系數(shù)取0.97，如果采用的是冷壓工藝，鐵芯的疊壓系數(shù)可以取0.95，定子鐵芯主要影響的是鐵損計(jì)算值，對(duì)于試驗(yàn)電源的影響較小。

定子鐵芯的軛部高度（h）采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

h=（D1-D2）/2-b

1.1.2 勵(lì)磁線圈安匝數(shù)（AW）。AW=×（D1-h）×aw，式中：aw指的是定子鐵芯單位長(zhǎng)度所需要的安匝數(shù)，該數(shù)值一般根據(jù)鐵芯材料的性質(zhì)決定，就目前來(lái)說(shuō)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T時(shí)，國(guó)產(chǎn)大中型發(fā)電機(jī)組中，定子鐵芯單位長(zhǎng)度安匝數(shù)一般為2.15～2.3A匝/cm，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)情況下都取1.5～2A匝/cm。安匝數(shù)會(huì)影響到勵(lì)磁電纜界面及試驗(yàn)電源容量的選擇，進(jìn)而影響電氣試驗(yàn)的成本及安全性，通常情況下，安匝數(shù)較大時(shí)，電氣試驗(yàn)更加安全，但與此同時(shí)，試驗(yàn)的成本也會(huì)增加，因此必須要合理選擇安匝數(shù)。

一匝測(cè)量線圈感應(yīng)電壓U2=4.44f×A×B，則勵(lì)磁線圈的匝數(shù)W1=變壓器次級(jí)電壓等級(jí)/一匝測(cè)量線圈感應(yīng)電壓，W1應(yīng)取整數(shù)。鐵損電流大小Im=AW/W1。

勵(lì)磁電纜選擇時(shí)，要確保勵(lì)磁電流值在導(dǎo)線額定電流值的50%～70%，不能使用鎧裝電纜或者鉛皮作為導(dǎo)線，導(dǎo)線必須要保證良好的絕緣性。測(cè)量線圈可以選擇比較細(xì)的導(dǎo)線，纏繞的圈數(shù)主要根據(jù)功率表電壓線圈允許數(shù)值決定。

1.2 電氣試驗(yàn)結(jié)果的分析判斷及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)的電氣裝置安裝規(guī)程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程中的磁通密度為0.8～1.0T，按照磁通密度折算各點(diǎn)的溫度時(shí)，鐵芯齒部最高溫升應(yīng)小于等于45℃，各齒的最大溫差應(yīng)小于等于30℃，如果是新機(jī)，齒部溫升應(yīng)控制在25℃以下，溫差應(yīng)控制在15℃以下，試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間應(yīng)控制在90min左右。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，大型水輪機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度按照1T進(jìn)行折算，試驗(yàn)時(shí)間控制在90min，鐵芯處最高溫升應(yīng)小于等于25K，齒間相互的最大溫差應(yīng)小于等于15K，鐵芯與機(jī)座之間的溫差應(yīng)嚴(yán)格按照制造廠家的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行控制，單位鐵損同樣需要符合制造廠商的相關(guān)規(guī)定，且確保定子鐵芯沒有錯(cuò)出現(xiàn)其他異常情況。

試驗(yàn)過(guò)程中，按照電氣裝置安裝規(guī)程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際的磁通密度控制在0.8～1.0T之間，試驗(yàn)時(shí)間同樣是90min，水輪發(fā)電機(jī)定子現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝導(dǎo)則規(guī)定，磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)控制在1.0T左右，不得低于0.9T，試驗(yàn)時(shí)間90min，除此之外，還有一些相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范也對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定，比如1～1.2T、90min，1.5t以下、45min，國(guó)外的水輪機(jī)機(jī)組一般采用1～1.2T。

實(shí)際的定子鐵芯磁化試驗(yàn)過(guò)程中，選擇1～1.2T的磁通密度，磁化效果較好，能夠保證鐵芯內(nèi)部的磁場(chǎng)盡可能達(dá)到飽和狀態(tài)，可以更好地考驗(yàn)各個(gè)部分的溫升，同時(shí)隨著時(shí)間的推移，磁通密度會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此試驗(yàn)剛開始時(shí)磁通密度取較大的數(shù)值能夠確保后期試驗(yàn)過(guò)程中磁通密度始終處于1T左右?，F(xiàn)階段我國(guó)的大部分水電站水輪發(fā)電機(jī)組都采用的是1T左右的磁通密度，磁化試驗(yàn)的時(shí)間大多控制在90min，

就磁化過(guò)程中的單位鐵損情況來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)基本上所有的規(guī)程中都明確指出，單位鐵損必須要符合生產(chǎn)廠家的相關(guān)規(guī)定。大型水輪機(jī)組的定子鐵芯需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的疊壓，因此制造廠家一般會(huì)給出一個(gè)控制值，該數(shù)值按照材料的特征單位損耗乘以一個(gè)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際的磁化試驗(yàn)中，鐵芯的損耗值根據(jù)鐵芯的質(zhì)量及測(cè)得的功率損耗進(jìn)行計(jì)算，一般情況下，鐵芯的安裝質(zhì)量與計(jì)算質(zhì)量可能會(huì)存在著較大的區(qū)別，一旦出現(xiàn)單位鐵損超標(biāo)的現(xiàn)象很難進(jìn)一步處理。

1.3 其他問(wèn)題

1.3.1 溫度測(cè)量。鐵芯磁化試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量試驗(yàn)溫度，但大型水輪機(jī)組的勵(lì)磁電源多為高壓電源，因此使用酒精溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量的方法在這里并不適用，不僅操作不便，讀數(shù)也不夠準(zhǔn)確。相對(duì)而言，熱電偶測(cè)量方法精度較高，但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中布線比較麻煩，還容易受到強(qiáng)磁場(chǎng)及補(bǔ)償線長(zhǎng)的影響，誤差較大，三峽水電站采用的是紅外線熱像儀測(cè)量方法，精度高但價(jià)格比較昂貴，現(xiàn)階段難以普及，因此大型水輪機(jī)組鐵芯磁化試驗(yàn)溫度測(cè)量時(shí)可以采用熱電偶方法輔助監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法。

1.3.2 勵(lì)磁電源選擇。大型水輪發(fā)電機(jī)磁化試驗(yàn)的勵(lì)磁電源應(yīng)控制在6～10kV之間，電源電壓過(guò)低時(shí)，勵(lì)磁電流較大，電纜的截面同樣較大，控制起來(lái)不夠便捷，電源電壓較小時(shí)，勵(lì)磁電流較小，電纜匝數(shù)較多，電纜纏繞施工十分不方便，也會(huì)造成電纜的浪費(fèi)，因此6～10kV之間即可，具體的數(shù)值需要根據(jù)水輪機(jī)組的實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。

1.3.3 勵(lì)磁電纜纏繞時(shí)串并聯(lián)方式選擇。勵(lì)磁電纜纏繞時(shí)并聯(lián)或者串聯(lián)的方法均可以，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。串聯(lián)纏繞時(shí)，每匝線圈中電流的大小均相等，因此不需要考慮局部電路電壓的損耗問(wèn)題，比較切合實(shí)際，但是當(dāng)電纜較長(zhǎng)時(shí)，纏繞施工比較麻煩，一旦需要臨時(shí)調(diào)整匝數(shù)，十分不方便。并聯(lián)纏繞的方式施工起來(lái)比較簡(jiǎn)單，如果需要臨時(shí)調(diào)整匝數(shù)也比較方便，但試驗(yàn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制每匝線纜的截面、長(zhǎng)度，以免局部支路電纜不均衡，具體采用哪種纏繞方式需要根據(jù)水輪機(jī)組實(shí)際的工作情況決定。

2 大型水電機(jī)組定子整體試驗(yàn)

2.1 定子繞組交流耐壓試驗(yàn)

現(xiàn)階段我國(guó)的定子繞組交流耐壓試驗(yàn)的耐壓標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)并不一致，以工地組裝的大型發(fā)電機(jī)組為例，國(guó)內(nèi)主要采用的是2倍額定線電壓加上3kV的耐壓標(biāo)準(zhǔn)。大型發(fā)電機(jī)耐壓試驗(yàn)過(guò)程中需要考慮設(shè)備的電壓波形、容量、電壓保護(hù)、電流保護(hù)等問(wèn)題，現(xiàn)階段大型發(fā)電機(jī)耐壓主要有串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振及諧振變壓器幾種，串聯(lián)諧振波形最好，發(fā)生擊穿后對(duì)水電機(jī)組的損傷最小，但實(shí)際使用過(guò)程中容易受到外部電源的影響，試驗(yàn)時(shí)對(duì)電源的要求比較高，隨著電壓的升高，電源必須要同步調(diào)諧，操作比較困難。另外，兩種變壓器諧振相對(duì)較差，但操作比較簡(jiǎn)單，大型發(fā)電機(jī)定子耐壓試驗(yàn)中，考慮到機(jī)組安全性問(wèn)題，優(yōu)先選擇串聯(lián)諧振耐壓設(shè)備。

2.2 定子繞組絕緣電阻測(cè)量

根據(jù)相關(guān)的國(guó)標(biāo)規(guī)定，大型發(fā)電機(jī)定子試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量絕緣電阻、吸收比或極化指數(shù)幾個(gè)重要的參數(shù)，尤其是極化指數(shù)非常重要。大型發(fā)電機(jī)電容量較大，兆歐表的充電容量不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中15s及60s絕緣電阻值測(cè)量結(jié)果存在差異，另外，極化指數(shù)不容易受到環(huán)境溫度等因素的影響，可信度較高。

2.3 定子繞組直流耐壓試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，直流耐壓試驗(yàn)在交流耐壓試驗(yàn)之前進(jìn)行，實(shí)際上，新安裝的水輪發(fā)電機(jī)組十分有必要進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，有利于相關(guān)工作人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)機(jī)組的局部缺陷，避免機(jī)組運(yùn)行或者交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)各種故障。除此之外，直流耐壓試驗(yàn)在判斷機(jī)組絕緣受潮等故障時(shí)比較準(zhǔn)確，在南方較潮濕的地區(qū)尤其需要重視直流耐壓試驗(yàn)。

3 大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極試驗(yàn)

3.1 絕緣電阻測(cè)量

國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定轉(zhuǎn)子磁極絕緣電阻采用1000V兆歐表進(jìn)行測(cè)量，勵(lì)磁電壓以200V為分界點(diǎn)，低于該數(shù)值時(shí)采用1000V兆歐表進(jìn)行測(cè)量，超過(guò)時(shí)應(yīng)采用2500V兆歐表進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極整體耐壓標(biāo)準(zhǔn)為10倍勵(lì)磁電壓，大于或者等于1500V，因此大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極絕緣電阻采用2500V兆歐表進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)絕緣電阻是否放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，測(cè)量結(jié)果合格之后才能夠進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。

3.2 磁極交流阻抗測(cè)量

磁極交流阻抗測(cè)量在判斷轉(zhuǎn)子圓度、磁極掛裝工藝等方面都有著重要的作用，能夠十分明顯地反映磁極匝間短路現(xiàn)象，磁極交流阻抗測(cè)量必不可少。根據(jù)國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，磁極前后交流阻抗需要分別測(cè)量，測(cè)量結(jié)果沒有明顯的變化即可。磁極交流阻抗值能夠反映磁極繞組是否存在匝間短路現(xiàn)象，磁極安裝完成之后即可進(jìn)行測(cè)量，整體試驗(yàn)中需要進(jìn)行比較測(cè)量。如果測(cè)量結(jié)果顯示磁極掛裝前后轉(zhuǎn)子磁極交流阻抗值合格，但全部安裝連接完成之后再次測(cè)量發(fā)現(xiàn)存在著多處不合格的問(wèn)題，則

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很有可能是因?yàn)橄嚓P(guān)施工人員在安裝過(guò)程中踩踏磁極上端部導(dǎo)致磁極出現(xiàn)匝間短路引起的。

磁極安裝過(guò)程中，受到種種因素的限制，磁極交流阻抗值可能會(huì)存在著一定的誤差，此時(shí)需要詳細(xì)地分析引起匝間短路的原因。部分?jǐn)U容改造機(jī)組的轉(zhuǎn)子經(jīng)常會(huì)進(jìn)行加墊或者打磨處理，會(huì)影響交流阻抗的數(shù)值，相關(guān)工作人員需要綜合判斷加墊及打磨厚度，進(jìn)而處理匝間短路事故。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著水利水電事業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的大型水輪發(fā)電機(jī)組開始投入使用，為了保證水輪機(jī)組運(yùn)行的安全及穩(wěn)定，必須要重視電氣試驗(yàn)，本文主要從大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)、水電機(jī)組定子整體試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極試驗(yàn)三個(gè)方面就大型水輪機(jī)組電氣試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，僅為電力系統(tǒng)有關(guān)研究人員的這部分工作提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：黃勝勇（1974-），吉林汪清人，汪清滿臺(tái)城綜合開發(fā)有限公司工程師。

（責(zé)任編輯：小 燕）