大型發(fā)電機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

大型發(fā)電機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

發(fā)電機(jī)在交接時(shí)或運(yùn)行中，對(duì)鐵芯絕緣有懷疑時(shí)，或鐵芯重新組裝或更換、修理硅鋼片后，需要進(jìn)行定子鐵芯的磁化試驗(yàn)，以測(cè)定鐵芯單位質(zhì)量的損耗，鐵芯軛部、齒部等各部溫升是否超過(guò)規(guī)定值，從而綜合判斷鐵芯片間的絕緣是否良好，判斷鐵芯的材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求及鐵芯的組裝疊片質(zhì)量是否合格。

本文以某抽蓄機(jī)組立式發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯現(xiàn)場(chǎng)疊片后進(jìn)行的鐵芯磁化試驗(yàn)為例，介紹鐵芯磁化試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及試驗(yàn)注意事項(xiàng)。

發(fā)電機(jī)；定子鐵芯；磁化試驗(yàn)

0 引言

發(fā)電機(jī)定子鐵芯是由硅鋼片疊裝而成，由于制造過(guò)程中可能存在的質(zhì)量不良或在運(yùn)行中由于熱和機(jī)械力的作用，可能引起片間絕緣損壞造成短路，在短路區(qū)域形成局部過(guò)熱，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。所以發(fā)電機(jī)在交接時(shí)或運(yùn)行中，鐵芯重新組裝或更換、修理硅鋼片后，或?qū)﹁F芯絕緣有懷疑時(shí)，需要進(jìn)行定子鐵芯的磁化試驗(yàn)，以測(cè)定鐵芯單位質(zhì)量的損耗，鐵芯軛部、齒部等各部溫升是否超過(guò)規(guī)定值，從而綜合判斷鐵芯片間的絕緣是否良好，判斷鐵芯的材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求及鐵芯的組裝疊片質(zhì)量是否合格。

本文以某抽蓄機(jī)組立式發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯現(xiàn)場(chǎng)疊片后進(jìn)行的鐵芯磁化試驗(yàn)為例，介紹鐵芯磁化試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及試驗(yàn)注意事項(xiàng)。

1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab.1 Generator Parameters

2 試驗(yàn)接線及相關(guān)參數(shù)計(jì)算

2.1 試驗(yàn)接線原理圖

定子鐵芯磁化試驗(yàn)的基本原理，是利用專門纏繞的勵(lì)磁線圈，通以工頻交流電，使之在鐵芯內(nèi)部造成交變磁通（鐵芯接近飽和狀態(tài)），從而在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗，使鐵芯中絕緣劣化的部分產(chǎn)生較大的渦流，溫度很快升高，用溫度計(jì)檢測(cè)各部位的溫升，并計(jì)算出鐵芯的單位鐵損，根據(jù)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求比較，來(lái)判斷定子鐵芯的制造、安裝質(zhì)量。定子鐵芯磁化試驗(yàn)接線如圖1所示。

圖1 定子鐵芯磁化試驗(yàn)接線Fig. 1 Wiring Diagram of stator core Magnetization Test

2.2 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

2.2.1 勵(lì)磁線圈匝數(shù)

式中U2——?jiǎng)?lì)磁線圈電源電壓；

f——試驗(yàn)電源頻率，Hz；

B——試驗(yàn)時(shí)鐵芯軛部磁通密度，T；

S——定子鐵芯軛部截面，m2。

由于該試驗(yàn)所需要的電源容量很大，在試驗(yàn)過(guò)程中，通常會(huì)直接取電廠廠用電作為試驗(yàn)電壓，比如可用10kV電壓作為勵(lì)磁線圈電壓，即U2=10000（V）。

B的取值，一種可遵循規(guī)程規(guī)定：透平型同步發(fā)電機(jī)取1.4T，水輪發(fā)電機(jī)取1.0T，磁密為1T下持續(xù)時(shí)間為90min，磁密為1.4T下持續(xù)時(shí)間為45min；另一種如果廠家有自行規(guī)定，在規(guī)程范圍內(nèi)，可按照廠家規(guī)定進(jìn)行。本文中遵照廠家的規(guī)定，B取1.2T，磁化試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為30min。

定子鐵芯軛部截面S的計(jì)算：

式中L——定子鐵芯有效長(zhǎng)度，m；

h——定子鐵芯軛部高度，m；

K——定子鐵芯填充系數(shù)，當(dāng)硅鋼片厚度為0.35mm時(shí)，K取值范圍為0.91～0.93，當(dāng)硅鋼片厚度為0.50mm時(shí)，K取值范圍一般為0.93～0.95；

L1——定子鐵芯總長(zhǎng)，m；

n——定子鐵芯通風(fēng)槽數(shù)；

b——定子鐵芯通風(fēng)槽寬，m；

D1——定子鐵芯外徑，m；

D2——定子鐵芯內(nèi)徑，m；

hc——定子鐵芯齒高，m。

計(jì)算定子鐵芯軛部截面S=0.738891（m2）；計(jì)算勵(lì)磁線圈匝數(shù)Nr≈50.8（匝）；當(dāng)勵(lì)磁線圈匝數(shù)較多時(shí)，考慮線圈本身的電壓降落，為保持1.2T的磁密，通常Nr比計(jì)算值減少1～2匝。本文取Nr=48匝。

2.2.2 勵(lì)磁電流

式中Dav——定子鐵軛的平均直徑，m；

H0——單位長(zhǎng)度安匝數(shù)，磁密在1T時(shí)，?。?.15～2.3）×102安匝/m，磁密在1.2T時(shí)，取值為（2.0～2.7）×102安匝/m，本文取2.5×102安匝/m。

Dav=D1-h=5380-348=5032（mm）=5.032（m）；

計(jì)算I=82.3（A）；

勵(lì)磁線圈導(dǎo)線截面按每平方毫米（銅芯）不大于3A的電流密度選擇，本文電流密度β取2A/mm2。

計(jì)算勵(lì)磁電纜截面積sL=I/β=41.15mm2

本文勵(lì)磁電纜選用10kV無(wú)屏蔽交聯(lián)電力電纜，根據(jù)勵(lì)磁電流的大小，并留有一定裕度，選擇單芯70mm2規(guī)格的電纜。

2.2.3 電源容量

試驗(yàn)電源容量S（視在功率）計(jì)算

式中：KS一般取1.1，或根據(jù)實(shí)際需要確定。

本文中計(jì)算電源容量S=1.1×10000×82.3×10-3=905.3（kVA）；

2.2.4 測(cè)量線圈

當(dāng)磁通密度B=1.2T時(shí)，測(cè)量線圈的感應(yīng)電壓為

式中：Nm為測(cè)量線圈的匝數(shù)，取1匝。

計(jì)算U2=196.84V，所以，測(cè)量線圈采用單匝2.5mm2多芯銅導(dǎo)線，選用300V的電壓表測(cè)量。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)設(shè)置

試驗(yàn)中需要兩相供電，本文中的試驗(yàn)電源取自電廠220kV廠用變壓器，通過(guò)其低壓側(cè)10kV備用饋線開關(guān)3G-9送至試驗(yàn)現(xiàn)地10kV開關(guān)，通過(guò)試驗(yàn)勵(lì)磁電纜接至試驗(yàn)現(xiàn)地10kV開關(guān)的A、C相。試驗(yàn)設(shè)備保護(hù)設(shè)置既能滿足要求，還應(yīng)能躲開合閘時(shí)刻的勵(lì)磁涌流。

廠用高壓變壓器的主要參數(shù)：額定電壓為230×（+1/+17×1.25%）/10.5kV，額定容量為25000kVA，額定電流為62.8/1374.6A，聯(lián)結(jié)組別YNd11。廠用高壓變壓器的保護(hù)設(shè)置不變，其CT變比為1500/5A，保護(hù)定值為：差動(dòng)0.2A/0s，過(guò)流Ⅰ段1.18A/0.7s，過(guò)流Ⅱ段1.18A/1.2s，過(guò)負(fù)荷0.81A/1.7s。

3G-9開關(guān)的參數(shù)：額定電流630A，額定電壓12kV，額定短路開斷電流25kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流63kA，CT變比為100/5A。3G-9開關(guān)的原保護(hù)設(shè)置為：過(guò)流1.60A（一次值160A）/1.2s，速斷9.2A（一次值920A）/0.04s，為配合試驗(yàn)需要，將過(guò)流的保護(hù)定值時(shí)間更改為0.7s，其他定值保持不變。修改完成后，校驗(yàn)保護(hù)裝置正確動(dòng)作。

該段母線另有一保護(hù)，即3G母線三相電壓不平衡，3U0達(dá)到定值（10V）后跳3G-9開關(guān)，由于試驗(yàn)中只在A、C兩相接線，且?guī)Ъ兏行载?fù)載，會(huì)引起三相電壓不平衡，因此將3U0定值調(diào)至15V，防止在試驗(yàn)過(guò)程中跳閘，使試驗(yàn)中斷。

試驗(yàn)現(xiàn)地10kV開關(guān)CT變比300/5A，保護(hù)定值設(shè)置為：速斷15A（一次值900A）/0s，過(guò)負(fù)荷2.5A（一次值150A）/0.5s。

3 主要設(shè)備、材料及工具

主要設(shè)備、材料及工具見表2。

4 準(zhǔn)備工作

4.1 定子鐵芯清掃檢查

試驗(yàn)前，對(duì)定子各部位進(jìn)行徹底的清掃，全面檢查機(jī)座和鐵芯，檢查通風(fēng)溝、上下端部位置、各環(huán)板間無(wú)殘留金屬物件和其他雜物。將定子機(jī)座與基礎(chǔ)支墩再次緊固，并用不小于300mm2銅芯線接地線使定子機(jī)座可靠接地。同時(shí)，鐵芯測(cè)溫電阻RTD也必須短接接地。

表2 主要設(shè)備、材料及工具Tab.2 Materials and Tools list for Testing

4.2 試驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備

檢查試驗(yàn)現(xiàn)地10kV開關(guān)柜斷路器操作回路，設(shè)定定值并進(jìn)行定值校驗(yàn)，校驗(yàn)開關(guān)柜保護(hù)裝置動(dòng)作正確，保護(hù)裝置整定值及延時(shí)時(shí)間應(yīng)小于上級(jí)10kV饋線柜保護(hù)整定值。10kV電源電纜和勵(lì)磁電纜做耐壓試驗(yàn)。

4.3 線圈纏繞

由于發(fā)電機(jī)定子直徑較大，為降低由于磁密不均所引起的誤差，勵(lì)磁線圈采用1個(gè)支路均勻纏繞分布，選用70mm2銅芯交聯(lián)電力電纜，勵(lì)磁線圈緊貼在鐵芯齒表面（不入槽），電纜與鐵芯接觸處均墊以5mm厚的膠皮保護(hù)，纏繞勵(lì)磁線圈48匝。

測(cè)量線圈一匝，用2.5mm2的多芯銅線纏繞在鐵芯適當(dāng)位置緊貼在槽底。

5 試驗(yàn)程序

（1）檢查完成后，在確認(rèn)上級(jí)主回路開關(guān)斷開的情況下，現(xiàn)地開關(guān)作分合閘操作試驗(yàn)，分合閘應(yīng)正確可靠。

（2）試驗(yàn)指揮發(fā)令，試驗(yàn)人員就位，記錄各測(cè)溫點(diǎn)原始溫度。注意：首次通電后要根據(jù)讀數(shù)校核磁化時(shí)磁通密度在1.2T左右，如偏差過(guò)大要調(diào)整勵(lì)磁線圈匝數(shù)。

（3）合上斷路器3～6min后斷開，全面檢查鐵芯各部位有否過(guò)熱現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)冒煙、局部過(guò)熱、發(fā)紅、冒火花（應(yīng)關(guān)燈檢查），應(yīng)立即跳閘停止試驗(yàn)，查明原因；若各部分無(wú)異常，即正式開始試驗(yàn)（對(duì)個(gè)別溫度較高處加設(shè)測(cè)溫點(diǎn)）。

（4）鐵損試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)30min，本文的定子鐵芯為現(xiàn)場(chǎng)新疊片完成，所以整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)8h，試驗(yàn)合閘后前30min為鐵損試驗(yàn)，檢查鐵芯有無(wú)片間絕緣，測(cè)量鐵芯溫升、溫差及損耗，后面持續(xù)進(jìn)行的試驗(yàn)?zāi)康闹饕抢秒姶耪駝?dòng)，使鐵芯充分振動(dòng)，檢查鐵芯疊片的壓緊力是否合格，試驗(yàn)完成后需再次對(duì)鐵芯進(jìn)行壓緊及測(cè)量，保證鐵芯的壓緊力符合設(shè)計(jì)要求。

6 安全注意事項(xiàng)

（1）因本試驗(yàn)負(fù)荷大，且兩相供電，故不得有與之相關(guān)的其他工作面作業(yè)。

（2）多余勵(lì)磁和供電電纜用無(wú)磁繞法纏繞，以免形成過(guò)大壓降。

（3）試驗(yàn)人員不能帶鐵磁物質(zhì)進(jìn)入定子內(nèi)，并關(guān)閉手機(jī)或其他可能因強(qiáng)磁場(chǎng)損壞的設(shè)備。試驗(yàn)中檢查定子膛內(nèi)各部溫度時(shí)，應(yīng)穿絕緣鞋，不能雙手同時(shí)直接觸摸鐵芯，以防觸電。定子膛內(nèi)不得存放金屬物件。

（4）嚴(yán)禁使用水銀溫度計(jì)測(cè)量。

（5）鐵芯內(nèi)部所有RTD測(cè)溫電阻可靠接地、檢測(cè)穿芯螺桿絕緣電阻符合要求。發(fā)電機(jī)座一點(diǎn)可靠接地。

（6）試驗(yàn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)鐵芯任何一處溫度超過(guò)規(guī)定值，或個(gè)別地方發(fā)熱厲害、冒煙或發(fā)紅，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。同時(shí)應(yīng)監(jiān)視鐵芯振動(dòng)及噪聲等情況，有異常同樣應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

（7）現(xiàn)場(chǎng)配備一定數(shù)量干粉滅火器，以防發(fā)生意外。

（8）試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)用警示條圍起來(lái)，懸掛警示標(biāo)志，由專職安全員監(jiān)守，非工作人員嚴(yán)禁入內(nèi)。

（9）勵(lì)磁電纜及供電電纜與定子鐵芯、定子繞組及機(jī)座凸棱處應(yīng)墊有足夠強(qiáng)度的絕緣材料。

（10）試驗(yàn)中測(cè)量?jī)x器儀表的準(zhǔn)確度不低于0.5級(jí)，測(cè)量用儀用互感器的準(zhǔn)確度不低于0.2級(jí)。功率表選用低功率因數(shù)瓦特表。

7 試驗(yàn)結(jié)果分析

7.1 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

按照國(guó)標(biāo)GB/T 20835—2007《發(fā)電機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)導(dǎo)則》中的標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)定的磁通密度下，試驗(yàn)經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，水輪發(fā)電機(jī)鐵芯最大溫升限值小于或等于25K，鐵芯相同部位溫差限值小于或等于15K。鐵芯比損耗值不得大于所用硅鋼片的標(biāo)準(zhǔn)比損耗的1.3倍。

本文設(shè)備的廠家標(biāo)準(zhǔn)要求在接近額定感應(yīng)狀態(tài)下勵(lì)磁30min后，測(cè)得的熱點(diǎn)溫差不超過(guò)5K。8h的試驗(yàn)過(guò)程中，定子鐵芯溫度不得超過(guò)90℃（鐵芯與機(jī)座的溫差不超過(guò)60℃），若超過(guò)90℃，需要停止試驗(yàn)，待溫度下降后，再繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

7.2 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Test Measurement Data

7.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，初步計(jì)算的試驗(yàn)結(jié)果（根據(jù)第一組測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算）：

試驗(yàn)時(shí)的磁密B'=U2/4.44fSW2=210.28/4.44×50×0.74×1=1.28（T）；

1T時(shí)定子有效鐵芯單位鐵損：

其中，G為定子鐵芯軛部質(zhì)量（kg），7.8×103為鐵芯密度（kg/m3）；Pfe為實(shí)測(cè)總損耗，為180.64kW。計(jì)算結(jié)果為ΔP=1.21W/kg。

按照廠家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)單位鐵損應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)鐵損（1.05W/kg）的1.3倍，即不大于1.365W/kg。

鐵芯最高溫升為。

式中t——最高鐵芯溫度，K；

t0——鐵芯初溫，K。

計(jì)算最高溫升小于25K。根據(jù)表3，鐵芯相同部位溫差小于15K。試驗(yàn)合格。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試?yán)榻B了鐵芯現(xiàn)場(chǎng)疊片后進(jìn)行磁化試驗(yàn)的過(guò)程，包括試驗(yàn)的整個(gè)計(jì)算過(guò)程，希望能對(duì)同行提供幫助。

[1] 李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法（第二版）.北京：中國(guó)電力出版社，2001.LI Jianming，ZHU Kang. Test methods for high - voltage electrical equipment （Second Edition）. Beijing: China Eeletric Power Press，2001.

[2] GB/T 20835—2016，發(fā)電機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)導(dǎo)則.GB/T 20835—2016，Guideline for magnetization test of generator stator core.

[3] 吳立忠. 定子鐵芯磁化試驗(yàn)，水電站機(jī)電技術(shù)，1989（4）：26-28.WU Lizhong. Generator stator core magnetization test. Electromechanical Technology of Hydropower Station，1989（4）： 26-28.

[4] 顏昌明.水電站定子鐵芯磁化試驗(yàn)簡(jiǎn)析.科技與企業(yè)，2012（17）：300-302.YAN Changming. Analysis of stator magnetization test of hydropower station. Technology and Enterprise，2012（17）： 300-302.

[5] 李彪. 發(fā)電機(jī)的定子鐵芯磁化試驗(yàn).數(shù)字通信世界，2015（10）.LI Biao. Generator stator core magnetization test. Digital Communications World，2015（10）.

2016-06-15

2017-05-10

付朝霞（1980—），女，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。E-mail：sunnyfzx@sina.com

Magnetizing Test for Stator Core of Large Generator

FU Zhaoxia
（Beijing Shisanling Power Station，Beijing 102200，China）

When the generator stator core has insulation problems，need to do core magnetization test to check the Insulation between the laminations is good or not. In this paper， the core magnetization test of a pumped storage power generation units vertical motor stator core laminations after scene as an example， introduce the whole process of core magnetization test and how to analyze the test data.

Generator；Stator core；Magnetic examination

TM31

A學(xué)科代碼：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.019