變頻電源在水輪發(fā)電機組定子鐵損試驗中的應(yīng)用

王 建 正， 李 科， 劉 艷 麗， 郭 林 偉

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

定子鐵損是水輪發(fā)電機能量損失之一，對發(fā)電機效率、功率因數(shù)均有一定的影響。發(fā)電機定子鐵芯是由薄硅鋼片現(xiàn)場疊裝而成，水輪發(fā)電機在機組運行過程中可能因鐵芯內(nèi)部沖片短路導(dǎo)致產(chǎn)生局部過熱點從而加速鐵芯絕緣盒定子線圈絕緣的老化，甚至造成鐵芯燒損及線圈擊穿事故、進而威脅到水輪發(fā)電機的安全運行。因此，為檢查鐵芯制造、安裝中的質(zhì)量，在發(fā)電機定子完全疊片安裝完成后、定子線棒下線前需進行定子鐵損試驗，從而綜合判斷定子鐵芯的制造、安裝質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求。對于大型水輪發(fā)電機組，其是制造安裝工序檢查中必不可少的試驗項目之一。

蘇布雷水電站發(fā)電機定子繞組型式為條形疊繞組，上、下層線棒共計1 392根，696槽，并聯(lián)4支路,56極。定子額定電壓為10.5 kV，繞組絕緣等級為F級，繞組上、下端各布置一條端箍，線棒端部的絕緣采用絕緣盒灌膠工藝。下線裝配及附件安裝完成后，定子總重量約為170 t，定子總起吊重量約為227 t。

試驗采用的主要規(guī)范和標準：

GB/T 20835-2007 發(fā)電機定子鐵芯磁化試驗導(dǎo)則

GB/T 8564-2003 水輪發(fā)電機安裝技術(shù)規(guī)范

SL 600-2012 水輪發(fā)電機定子現(xiàn)場裝配工藝指導(dǎo)

B50A250 硅鋼片型號

交接標準： 鐵芯各部分最高溫升<25 K(在1.25T時)

鐵芯相互間最大溫差<15K(在1.25T時)

2 投標階段設(shè)計的水輪發(fā)電機

蘇布雷水電站地處低緯度地區(qū)，受赤道低氣壓帶影響，屬于熱帶季風(fēng)氣候，其主要特征為高溫多雨，全年平均溫度約為26.5 ℃左右，一年分為兩個雨季，分別為3～6月和9～10月，一般在7～8月有一個小旱季。蘇布雷水電站廠房通風(fēng)設(shè)計溫度約為30 ℃，廠內(nèi)相對濕度≤80%。發(fā)電機的基本參數(shù)見表1。

3 試驗原理及數(shù)據(jù)

定子鐵損試驗是發(fā)電機大型試驗項目之一，試驗前必須完成大量的計算和準備工作。

3.1 鐵損試驗的基本原理

在疊裝完成的發(fā)電機定子鐵芯上纏繞勵磁繞組，繞組中通入交流電，使其在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生接近飽和狀態(tài)的交變磁通，從而在鐵芯中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。若鐵芯中片間絕緣受損或劣化將產(chǎn)生較大的渦流，溫度很快就會升高。

使用測溫電阻測量定子鐵芯的溫度，計算出溫升及溫差；使用紅外線測溫儀查找局部過熱點并輔助測溫；在鐵芯上纏繞測量繞組以便測量其感應(yīng)電壓并計算出鐵芯軛部總的有功損耗。將測量結(jié)果與設(shè)計要求進行比較后判斷定子鐵芯的制造與安裝質(zhì)量。本次試驗設(shè)備的電源電壓為 400 V，電氣試驗接線原理見圖1。

圖1 采用變頻器做定子鐵芯損耗試驗的連接示意圖

3.2 鐵損試驗的理論計算

3.2.1 定子鐵芯軛部截面A(mm2)的計算

定子鐵芯軛部截面A(mm2) 的 各部分尺寸見圖2。

A=L×h= 1.089 6 ×0.198 5

=0.216 3(m2)

L=K(L1-nb)=0.96×(1.24-21×

0.005)=1.089 6(m)

h= (Da-Di)/2-hs= 0.325-0.126 5

=0.198 5(m)

式中L為定子鐵芯的有效高度 (m)；h為定子鐵芯的軛部高度 (m)；K為填充系數(shù)；L1為定子鐵芯總長 (m)；n為定子鐵芯通風(fēng)溝數(shù)；b為定子鐵芯通風(fēng)溝寬(m)；Di為定子鐵芯內(nèi)徑 (m)；Da為定子鐵芯外徑 (m)；hs為定子鐵芯齒高 (m)。

3.2.2 勵磁線圈(Nr)的計算

式中U2為勵磁線圈電源電壓 (V)；f為試驗電源頻率(Hz)；B為試驗時鐵芯軛部磁通密度 (T)。

試驗時要求鐵芯軛部磁通密度為 1.25 T，f=40 Hz，勵磁線圈 (Wr)的匝數(shù)(Nr)應(yīng)為：

3.2.3 勵磁線圈電流 (I) 及功率 (Pr) 的計算

≈738 (A)

Dav=Da-h=11.27-0.198 5

=11.071 5(m)

式中Dav為定子軛部的平均直徑(m)；H0為

1.7×102A/m。

勵磁線圈(電纜繞制的)的功率 (Pr)：

Pr=1.1×IU2×10-3=1.1×738 ×400 ×

10-3=324 (kVA)

同理，按照上述公式計算不同的B對應(yīng)的相關(guān)數(shù)值，見表2。

4 試驗過程中的主要數(shù)據(jù)

表2 不同B值對應(yīng)頻率、匝數(shù)、電纜截面等相關(guān)數(shù)值表

圖2 定子鐵芯各部分尺寸示意圖

眾所周知，工頻頻率范圍為40～60 Hz，且目前國內(nèi)同類電站定子鐵損試驗大多采用工頻技術(shù)。但根據(jù)業(yè)主(科特迪瓦共和國礦產(chǎn)能源部)要求，蘇布雷水電站定子鐵損試驗采用的標準為90 min，50 Hz/1.25 T。蘇布雷水電站現(xiàn)場工業(yè)用電為33 kV系統(tǒng)，試驗電源根據(jù)實際情況只能采用400 V系統(tǒng)。若采用常規(guī)辦法，勵磁電纜截面積需采用400 mm2,試驗電源功率需選用大于850 kVA的變壓器。因試驗電源功率偏大、電纜截面積偏大、試驗過程中的振動較大而無法控制、現(xiàn)場實施試驗的勞動強度大等因素困擾著該項試驗的實施。經(jīng)與業(yè)主反復(fù)溝通，最終決定采用變頻技術(shù)，即諧振原理。此次試驗為水電五局首次采用變頻技術(shù)進行發(fā)電機定子鐵損試驗，由隸屬于美國GE公司旗下的瑞士ALSTOM發(fā)電機總部的試驗設(shè)備廠家代表進行。在本次試驗中，勵磁繞組分2個區(qū)域?qū)ΨQ纏繞，每個區(qū)域纏繞18圈；測量繞組分3個區(qū)域，每個區(qū)域纏繞12圈?？铺氐贤咛K布雷水電站1#機、3#機定子鐵損試驗在安裝間進行，2#機定子鐵損試驗在基坑內(nèi)進行。其中勵磁電纜截面積為65 mm2，試驗總電源功率為275 kW。筆者以3#機定子鐵損試驗作為研究對象予以介紹。試驗場地布置情況見圖3。

變頻器采用ABB生產(chǎn)的ACS變頻器，電壓為1 200 V，電流為2 250 A，電容為6×1 mF，補償功率為2 700 kVA，頻率為50 Hz，電流互感器為6 000 A/5 A，電壓互感器為1 200 V/100 V。變頻器基本情況見圖4。

圖4 變頻器示意圖

5 試驗分析與注意事項及結(jié)果

5.1 試驗分析及注意事項

(1) 首先按表2中的序號1接線; 試驗時間為10 min并觀察；如果正常，則應(yīng)調(diào)整變頻器的頻率為50 Hz并按照表2中的序號3接線，其勵磁電纜為9匝；試驗時間 為10 min并觀察；如果正常，則試驗時間為持續(xù)90 min；

(2)試驗過程中發(fā)現(xiàn)振動較大。經(jīng)與業(yè)主工程師溝通，為確保安全可靠，業(yè)主方、總包方、試驗執(zhí)行方三方達成一致意見：降低試驗頻率，增加試驗時間。1#定子鐵損試驗頻率為45 Hz,磁通密度為1.25 T，試驗時間為120 min。由于2#、3#定子試驗頻率選用40 Hz，故磁通密度為1.25 T、試驗時間為120 min；

(3)從變頻器到定子繞組的電纜應(yīng)盡量縮短，此舉可減少電纜對地的電容量并減少干擾的發(fā)射源；

(4)事先在變頻器盤柜內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的頻率值，同時，變頻器本體應(yīng)與電站的接地網(wǎng)可靠連接并在變頻器內(nèi)設(shè)置過載、過流保護，且直流側(cè)電容的耐壓大于900 V、交流側(cè)電容的耐壓值大于450 V；

(5)為確保數(shù)據(jù)采集精準，避免干擾，測量繞組與動力繞組的距離必須大于50 cm；同時，環(huán)境溫度應(yīng)小于40 ℃；環(huán)境濕度應(yīng)小于85%；

(6)勵磁電纜應(yīng)采用耐壓 (1 kV) 的單股多絲銅橡膠電纜繞制。在電纜與定子鐵芯及軛部凸棱處繞制時, 應(yīng)墊軟質(zhì)絕緣保護層。 試驗接線及表計的極性應(yīng)正確,勵磁繞組和測量繞組應(yīng)均勻地繞制在定子鐵芯周圍, 先松、待調(diào)整均勻、墊完絕緣后再緊固。 測量線圈應(yīng)在進出線對側(cè)的中間布置且不能與鐵芯接觸,應(yīng)墊絕緣保護材料；

(7)試驗中檢查定子膛內(nèi)各部溫度時應(yīng)穿絕緣鞋, 不能用雙手同時直接觸摸鐵芯以防觸電，膛內(nèi)及工作人員不能帶金屬物件；

(8)試驗中若發(fā)現(xiàn)鐵芯任何一處溫度超過規(guī)定值 (一般為105 ℃), 或個別地方發(fā)熱厲害、甚至冒煙或發(fā)紅時, 應(yīng)立即停止試驗，找出原因并予以消除后再進行試驗；

(9)在讀取各部分有關(guān)參數(shù)時, 應(yīng)盡量同時讀取并每隔10 min讀一次，迅速計算其有關(guān)溫升、 溫度及單位損耗；

(10)在試驗現(xiàn)場，應(yīng)安裝電源開關(guān)的分/合閘控制, 以便在遇到緊急情況時可方便操作，以減少損失。定子鐵芯的基礎(chǔ)與地的接觸要牢固且外殼必須要與電站的接地系統(tǒng)連接可靠, 接地線應(yīng)裸露且接觸良好。

5.2 試驗結(jié)果

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，最大鐵芯損耗小于1.43 W/kg，即單片硅鋼片損耗的1.3倍，鐵芯齒部和軛部的最大溫升均小于25 ℃，鐵芯齒部和軛部的最大溫差均小于15 ℃，試驗數(shù)據(jù)滿足相關(guān)標準規(guī)定的指標，發(fā)電機定子鐵損試驗合格。試驗過程中無局部過熱現(xiàn)象出現(xiàn)，鐵芯片間絕緣良好。定子鐵損試驗合格，鐵芯疊裝質(zhì)量合格。

6 結(jié) 語

發(fā)電機定子鐵損試驗是一項重要的電氣試驗，用于檢驗鐵芯制造、疊裝質(zhì)量，可以測出鐵芯損耗。但由于沒有轉(zhuǎn)子的參與，其與電機實際運行不同，鐵芯損耗也將因磁通產(chǎn)生的方式、路徑以及磁動勢的形式而對數(shù)據(jù)的準確性和可靠性有一定的影響。本次采用變頻技術(shù)進行鐵損試驗，很好地利用了諧振原理，與常規(guī)定子鐵損試驗相比，大大減少了試驗總電源要求以及勵磁電纜的截面積；同時，減弱了試驗過程中的振動，減輕了現(xiàn)場試驗的勞動強度，大大提高了試驗效率，降低了危險因素。各項試驗數(shù)據(jù)準確可靠，對今后其它電

站定子鐵損試驗采用變頻技術(shù)提供了很好的參考。