清遠(yuǎn)抽水蓄能電站#1機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)淺析

李華+陳泓宇

摘 要：大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯在現(xiàn)場(chǎng)組裝完成后，為檢查定子鐵芯制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的整體質(zhì)量，必須對(duì)定子鐵芯進(jìn)行磁化試驗(yàn)。本文結(jié)合清遠(yuǎn)抽水蓄能電站#1機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)，介紹了磁化試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)原理、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果。并對(duì)影響試驗(yàn)的結(jié)果的因素進(jìn)行了分析，供同類抽水蓄能電站定子鐵芯磁化試驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：清遠(yuǎn)抽水蓄能電站；定子鐵芯；磁化試驗(yàn)；溫升；溫差；單位鐵損值

1 概述

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱清蓄能電站）地下廠房?jī)?nèi)共安裝4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）320MW，總裝機(jī)容量1280MW。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子由機(jī)座、鐵芯和線圈等部件組成，在安裝間完成組裝后通過(guò)廠房橋機(jī)吊入發(fā)電機(jī)機(jī)坑安裝。鐵芯采用35A250低損耗、高導(dǎo)磁率、非晶粒取向、無(wú)時(shí)效、機(jī)械性能優(yōu)質(zhì)的冷軋硅鋼片。沖片雙面涂有F級(jí)絕緣漆（厚約5～7μm）。鐵芯上下端采用非磁性齒壓板結(jié)構(gòu)，上下兩端各疊成3個(gè)8×4.9的臺(tái)階，定子鐵芯沿軸向分布共78層5mm高的丄字型截面無(wú)磁性不銹鋼通風(fēng)溝，鐵芯用雙鴿尾筋與定子機(jī)座聯(lián)接，并通過(guò)上下齒壓板壓緊緊固。

2 磁化試驗(yàn)

2.1 磁化試驗(yàn)?zāi)康?/p>

大容量抽水蓄能發(fā)電機(jī)組由于運(yùn)輸尺寸、重量等方面的因素限制，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子機(jī)座通常采用分瓣制造運(yùn)輸，在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝焊接、沖片疊壓、定子下線等工作。鐵芯磁化試驗(yàn)是在定子鐵芯疊片壓緊完成后進(jìn)行，其目的就是確認(rèn)定子鐵芯硅鋼片設(shè)計(jì)制造、現(xiàn)場(chǎng)疊片、壓緊情況和單位功率損耗等整體質(zhì)量，檢查鐵片間是否有短路情況，絕緣是否良好。發(fā)電機(jī)定子鐵芯在硅鋼片的制造或現(xiàn)場(chǎng)疊裝過(guò)程中，可能存在片間絕緣損壞，從而造成片間短路或多片間形成回路。為了防止機(jī)組運(yùn)行中因片間短路引起局部過(guò)熱，甚至威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行，在現(xiàn)場(chǎng)定子鐵芯組裝完成后，必須進(jìn)行鐵芯磁化試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)定子鐵芯的組裝工藝，鐵芯磁化試驗(yàn)還能通過(guò)振動(dòng)和發(fā)熱使鐵芯下沉，達(dá)到僅由加壓所不能達(dá)到的進(jìn)一步壓緊鐵芯的目的。

2.2 試驗(yàn)原理及基本方法

在發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯上纏繞勵(lì)磁繞組，繞組中通入一定的工頻電流，使之在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生接近飽和狀態(tài)的交變磁通，通常取激磁磁感應(yīng)強(qiáng)度為1-1.2T，鐵芯在交變磁通中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，使鐵芯發(fā)熱，溫度很快升高。同時(shí)，使那些鐵芯中片間絕緣受損或劣化部分產(chǎn)生較大的局部渦流，溫度急劇上升，從而找出過(guò)熱點(diǎn)及過(guò)熱面。試驗(yàn)中用酒精溫度計(jì)測(cè)量定子鐵芯、上下齒壓板及定子機(jī)座的溫度，計(jì)算出溫升和溫差；用紅外線測(cè)溫槍、紅外線攝像儀查找定子鐵芯局部過(guò)熱點(diǎn)及過(guò)熱面；在鐵芯上纏繞測(cè)量繞組，測(cè)量其感應(yīng)電壓，計(jì)算出鐵芯中不同時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并根據(jù)發(fā)電機(jī)固有參數(shù)，結(jié)合測(cè)得的勵(lì)磁電流、電壓計(jì)算出鐵芯的有功損耗。把測(cè)量、計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相比較，來(lái)判斷定子鐵芯的制造、安裝整體質(zhì)量。

2.3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)

型號(hào)：SFD320/331-14/6570；額定容量：356MVA；功率因數(shù)：0.9滯后（發(fā)電機(jī)工況）；額定電壓：15.75kV；額定電流：13050A；額定轉(zhuǎn)速：428.6r/min；定子鐵芯槽數(shù)：336槽；定子鐵芯外徑：D外=657cm；定子鐵芯內(nèi)徑：D內(nèi)=530cm；定子鐵芯長(zhǎng)度：L=332cm；定子鐵芯槽深：h=17.9cm；鐵芯通風(fēng)溝層數(shù)：n=78；鐵芯通風(fēng)溝高度：b=5mm；定子沖片厚度：0.35mm；定子沖片標(biāo)準(zhǔn)損耗：≤1.0（W/kg）（1特斯拉時(shí)）；鐵芯比重ρ：7.6t/m3。

2.4 試驗(yàn)準(zhǔn)備計(jì)算

（1）勵(lì)磁線圈安匝數(shù)計(jì)算Aω

Aω=π（D外-ha）·H=3342（安匝）

式中：D外-鐵芯外徑（cm）=657cm；ha-軛部寬度（cm）；H-單位長(zhǎng)度安匝數(shù)，磁通在1特斯拉時(shí)，取值為1.74（安匝/厘米）。ha=（D外-D內(nèi)）/2-h；D內(nèi)-鐵芯內(nèi)徑（cm）；h-定子鐵芯槽深（cm）；ha=（D外-D內(nèi)）/2-h=45.6 （cm）。

（2）計(jì)算勵(lì)磁繞組匝數(shù)ω1

K-定子鐵芯疊壓系數(shù)，片間用絕緣漆和壓緊計(jì)算，取0.98。

軛部的有效截面積S=K·（L-n·b）·ha≈13093.584（cm2）；ω1-勵(lì)磁繞組匝數(shù)；б-考慮漏磁及線路壓降后的系數(shù)取1.1；U1-勵(lì)磁電源電壓，選10000（V）；試驗(yàn)時(shí)鐵芯扼部磁通密度B=1T，頻率f=50（Hz）；勵(lì)磁繞組匝數(shù)ω1=U1/（e·б）=10000/（4.44fBS·б）≈32（匝）。

（3）計(jì)算勵(lì)磁繞組電流I1和勵(lì)磁繞組電纜截面積SL（全電流）

I1=Aω/ω1=3342.175/32≈122.8（A）；流量系數(shù)β取3.0A/mm2；勵(lì)磁電纜截面積SL=I1/β=122.8÷3.0≈41mm2；考慮到安全裕量及纏繞難度，勵(lì)磁電纜采用10kV單芯70mm2無(wú)屏蔽交聯(lián)電力電纜。

（4）需要的視在功率

S視=U1I/1000=1228（kVA）；三相供電系統(tǒng)容量應(yīng)為×1228≈2126.9（kVA）。

（5）磁通密度測(cè)量

當(dāng)定子軛部磁通密度為B=1T時(shí)，單匝測(cè)量線圈之感應(yīng)電勢(shì)為E2=4.44BSfω2≈290.7V；采用單匝測(cè)量線圈，400V電壓表測(cè)量。

（6）實(shí)際磁通密度：B=U2/（4.44Sfω2）（T）；U2-測(cè)量線圈端電壓（伏）；ω2-測(cè)量線圈匝數(shù)（匝）；S-有效鐵芯軛部的截面積（m2）。

2.5 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)束后，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算到1T時(shí)，溫升、溫差和單位鐵損是否合格，進(jìn)而判斷定子鐵芯的制造、安裝整體質(zhì)量。

（1）試驗(yàn)時(shí)磁通密度的實(shí)際值

B'=U2/4.44f'SW2（單位：T）

U2-測(cè)量線圈感應(yīng)電壓值（伏） W2-測(cè)量線圈匝數(shù)（匝） f'-實(shí)測(cè)頻率

B'-試驗(yàn)時(shí)磁通密度（T）

（2）鐵芯重量

G=πDavS×ρ×103=191138.6（kg）

Dav-鐵芯平均直徑（單位：米）

（3）1T時(shí)定子有效鐵芯單位鐵損

ΔP=（Pfe/G）×（1/B'）2（W/kg）

Pfe-實(shí)測(cè)總損耗（單位W）；按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)單位鐵損應(yīng)不大于1.3W/kg。

（4）鐵芯最高溫升

Δt1=（t3-t0）×（1/B'）2 （℃）

t3-最高鐵芯溫度，t0-鐵芯起始溫度；按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Δt1不得大于25℃。

（5）鐵芯最高溫差

Δt2=（t1-t2）×（1/B'）2 （℃）

t1-90分鐘時(shí)最高鐵芯溫度，t2-90分鐘時(shí)最低鐵芯溫度；按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， Δt2不得大于15℃。

3 磁化試驗(yàn)過(guò)程

3.1 準(zhǔn)備工作

定子磁化試驗(yàn)在定子防塵棚內(nèi)進(jìn)行，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)殘留金屬物件和其它雜物，定子槽內(nèi)不得有定位棒、通槽棒等工具遺留。將定子機(jī)座與基礎(chǔ)支墩再次緊固，并用不小于185mm2銅心接地線使定子機(jī)座可靠接地。同時(shí)，鐵芯測(cè)溫RTD也必須短接接地。

檢查10kV開關(guān)柜斷路器操作回路，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)磁電纜在使用前需做耐壓試驗(yàn)，檢查勵(lì)磁線圈電纜絕緣電阻不小于100MΩ、測(cè)量繞組電纜絕緣電阻不小于10MΩ。

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銅心交聯(lián)電力電纜，勵(lì)磁線圈緊貼在鐵芯齒表面（不入槽），纏繞勵(lì)磁線圈32匝。測(cè)量線圈一匝，用2.5mm2的多心銅線纏繞在鐵芯適當(dāng)位置緊貼在槽底，鐵芯棱角處墊約12mm厚的膠皮或木方保護(hù)。測(cè)溫點(diǎn)按上（第2層）、中（第38層、）、下（第78層）3層（共計(jì)72個(gè)測(cè)溫點(diǎn)）及上下齒壓板測(cè)溫點(diǎn)均勻布置在定子鐵芯上，（如圖1所示），緊貼鐵芯，用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫。輔之以紅外線成像儀巡測(cè)鐵芯四周各個(gè)部位溫度，但不作記錄。

對(duì)10kV電源電纜和勵(lì)磁軟電纜做交流耐壓試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)接線圖

試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)接線見(jiàn)圖2。

V1、V2-電壓表；f-頻率表；CT-電流互感器；W-低功率瓦特表；A-電流表；K-斷路器；W1-勵(lì)磁線圈；W2-測(cè)量線圈；PT-電壓互感器

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

（1）檢查完成后，在確認(rèn)主回路斷開（安裝間供電開關(guān)柜）的情況下，作分合閘操作試驗(yàn)，分合閘應(yīng)正確可靠。

（2）試驗(yàn)總指揮發(fā)令，試驗(yàn)人員就位，記錄各測(cè)溫點(diǎn)原始溫度。注意：首次通電后根據(jù)讀數(shù)校核磁化時(shí)磁通密度要大于1T，如偏差過(guò)大要調(diào)整勵(lì)磁線圈匝數(shù)。

（3）合上斷路器1～2min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（定子棚內(nèi)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)）用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量各標(biāo)識(shí)點(diǎn)的溫度并記錄；并用紅外線測(cè)溫儀循環(huán)掃描定子鐵芯，隨時(shí)監(jiān)測(cè)各部位溫度，用紅外線攝像儀定時(shí)錄制熱成相照片，找出高溫區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

（4）每隔15min記錄一次鐵芯各部分溫度及表計(jì)讀數(shù)，如發(fā)現(xiàn)局部溫度過(guò)高，應(yīng)報(bào)告試驗(yàn)指揮人，并重點(diǎn)監(jiān)視其溫度。

（5）整個(gè)磁化試驗(yàn)歷時(shí)90分鐘。

3.4 安全注意事項(xiàng)

在安裝間的試驗(yàn)區(qū)域設(shè)立警戒線，警戒線范圍內(nèi)的試驗(yàn)區(qū)域全封閉管理，控制進(jìn)入#1機(jī)定子試驗(yàn)區(qū)域的人數(shù)。在#1機(jī)定子棚四周、試驗(yàn)區(qū)域上空通風(fēng)洞口、安裝間設(shè)置足夠數(shù)量且符合使用要求的干粉滅火器。試驗(yàn)前，將廠房橋機(jī)移出試驗(yàn)區(qū)域。

4 試驗(yàn)記錄及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)記錄（見(jiàn)表1）

4.2 結(jié)果分析

計(jì)算勵(lì)磁電流為122.8A，試驗(yàn)最小勵(lì)磁電流為130A，為計(jì)算值的1.05倍；最大勵(lì)磁電流為131.69A，為計(jì)算值的1.07倍，在正常范圍內(nèi)；試驗(yàn)前空載電壓為10000V，試驗(yàn)中最高勵(lì)磁電壓為10110V，最低勵(lì)磁電壓為9990V；試驗(yàn)中最大磁通密度為1.08T，最小磁通密度為1.07T，滿足廠家鐵損試驗(yàn)技術(shù)要求；鐵芯初始平均溫度22℃，鐵芯90min時(shí)最低溫度22℃，機(jī)座90min時(shí)最低溫度22℃，鐵芯90min時(shí)最高溫度28.9℃，機(jī)座90min時(shí)最高溫度28℃，噪聲測(cè)量最大值為105dB，波動(dòng)不大，振動(dòng)正常。鐵損試驗(yàn)3個(gè)主要指標(biāo)：?jiǎn)挝昏F損實(shí)測(cè)值1.186W/kg小于標(biāo)準(zhǔn)值1.3W/kg；最大鐵芯溫升實(shí)測(cè)值6.9℃小于標(biāo)準(zhǔn)值25℃；最大鐵芯溫差實(shí)測(cè)值6.9℃小于標(biāo)準(zhǔn)值15℃。試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)結(jié)束后檢查定子各焊縫、機(jī)座、壓緊螺桿、鐵片均無(wú)異常。清蓄電站#1機(jī)組定子鐵芯磁化試驗(yàn)順利完成，定子鐵芯磁化試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)計(jì)算值，各部位測(cè)點(diǎn)溫升及溫差都正常，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異?，F(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)上述定子磁化試驗(yàn)方案，清蓄電站#1機(jī)定子鐵芯磁化試驗(yàn)順利完成，鐵芯溫升、溫差及單位鐵損均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和合同要求。為下一步定子下線提供了強(qiáng)有力保證。同時(shí)，還需要繼續(xù)研究試驗(yàn)電源電壓的小波動(dòng)對(duì)磁化試驗(yàn)的影響，為后續(xù)機(jī)組及類似電站定子鐵芯磁化試驗(yàn)提供更多經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李華（1982-），男，工程師，主要從事抽水蓄能電站機(jī)電項(xiàng)目基建工作。