烏東德水電站定子磁化試驗計算分析

曹 琳，陳穎潤

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

烏東德水電站定子機座的定子鐵芯由0.5 mm厚的硅鋼片疊裝而成，分層壓緊，并用高強度螺栓壓緊，定子鐵芯通過鴿尾形定位筋固定于定子機座上，鐵心疊片前需要對鐵片進行逐箱檢查、清掃[1-2]。定子鐵芯磁化試驗過程如下。

1 試驗?zāi)康?/h2>

發(fā)電機定子鐵芯磁化試驗主要是測量定子鐵芯的總功損耗及定子鐵芯、機座、齒壓板等各部位的溫度，定位局部過熱點，從而計算出鐵芯的單位損耗及溫升，識別局部缺陷，綜合判斷定子鐵芯的制造以及安裝質(zhì)量是否符合設(shè)計要求。

2 試驗基本原理

定子鐵芯磁化試驗的基本原理是：在疊裝完成的發(fā)電機定子鐵芯上纏繞勵磁繞組，并通入交流電流，使之在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生接近飽和狀態(tài)的交變磁通，從而在鐵芯中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，使鐵芯發(fā)熱。

用埋設(shè)的溫度計測量定子鐵芯、上、下壓板及定子機座的溫度，計算出溫升和溫差；用紅外線測溫儀查找局部過熱點及輔助測溫；在鐵芯上纏繞測量繞組，測量其感應(yīng)電壓，計算出鐵芯總有功損耗。將測量結(jié)果與設(shè)計要求進行比較，以判斷定子鐵芯的制造與安裝質(zhì)量[3]。

3 編制依據(jù)

（1）GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》

（2）GB/T20835-2016《發(fā)電機定子鐵心磁化試驗導(dǎo)則》

（3）SL600-2012《水輪發(fā)電機定子現(xiàn)場裝配工藝導(dǎo)則》

（4）金沙江烏東德水電站850MW水輪發(fā)電機組安裝質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

（5）金沙江烏東德水電站右岸電站機電設(shè)備安裝與調(diào)試工程合同

4 試驗準(zhǔn)備

4.1 試驗前檢查

（1）試驗前檢查試驗儀器、儀表，保證其能夠滿足試驗要求；并對所有相關(guān)試驗設(shè)備及儀表進行校驗，合格后方允許使用，向監(jiān)理部門出示校驗合格證書。

（2）對定子進行徹底地清掃，全面檢查機座和鐵芯，移走所有與試驗無關(guān)的設(shè)備。

（3）將壓指、鐵芯等所有溫度計引線用地線連接，確保測溫元件不受損壞。

（4）將所有的槽樣棒取出。

（5）檢查通風(fēng)溝、上下端等位置以及各環(huán)板，保證無殘留金屬物件。

（6）完成緊固定子鐵芯所有拉桿螺絲等全部機械工作。

（7）用95 mm2的銅編織線將定子機座可靠一點接地。

（8）檢查供電電源已具備試驗條件。

（9）試驗前，將試驗用三相高壓電纜及單相高壓電纜做好電纜終端頭，并進行試驗。

（10）準(zhǔn)備兩臺應(yīng)急燈和4個手電筒。

4.2 試驗電源準(zhǔn)備

根據(jù)現(xiàn)場條件，選用10 kV勵磁電源。

4.3 試驗計算

烏東德電站機組定子鐵芯斷面如圖1。

圖1 定子鐵芯斷面圖

4.3.1 定子鐵芯基本參數(shù)

鐵芯內(nèi)徑：d1=17 850 mm。

鐵芯外徑：d2=18 900 mm。

鐵芯高：h=3 120 mm。

鐵芯壓緊系數(shù)：取k=0.96（制造廠提供的數(shù)據(jù)）。

通風(fēng)溝寬度：b=6 mm。

通風(fēng)口數(shù)量：n=60。

硅鋼片安匝數(shù)：取H0=1.7 A/cm（制造廠提供的數(shù)據(jù)）。

槽形尺寸：（定子線棒槽深h1）208.1 mm×（定子線棒槽寬）25.3 mm，h1=208.1 mm。

鐵芯總重：555 000 kg。

4.3.2 計算

（1）鐵芯有效長度：L=k×(h-n×b)=264.96 cm。

（2）鐵芯軛部高度(ha)：ha=(d2-d1)/2-h1=31.69 cm。

（3）鐵芯截面積（S）：S=L×ha=8 396.582 cm2。

（4）勵磁線圈匝數(shù)(W1)：

W1=U1/(4.44f×S×B)×108=51.09（取B=1.05×104高斯）；匝數(shù)取50匝(U1為勵磁線圈電壓 10 000 V，f為50 Hz)。

（5）勵磁繞組電流（I）：

I=π（d2-ha）H0/W1=198.39 A（令H0=1.7）。

（6）電源容量（P）=U1I=3 436.11 KVA。

若測量線圈取W2=1匝，則測量電壓U2=U1W2/W1=10 000/50=200 V。

勵磁線圈導(dǎo)線的選擇：按每3.5 A/mm2計算，所需勵磁電纜芯線截面積為190.76/3.5=54.5 mm2，選用一根70 mm2的10 KV電纜，均勻纏繞，總長度約為800 m。

4.4 試驗布置

（1）試驗區(qū)域布置，見圖2標(biāo)準(zhǔn)化安全防護措施，設(shè)置區(qū)域隔離，放置足夠的干粉滅火器，定子周圍設(shè)置圍欄，防止高空墜落，試驗人員有相應(yīng)的資格證書。

圖2 試驗區(qū)域布置

（2）在測量區(qū)域設(shè)置兩張桌子，放置測量儀表。

（3）勵磁電源布置：勵磁電源進線高壓開關(guān)柜布置在定子5 m處，電源從臨時供電點10 kV高壓開關(guān)柜上端引入試驗用高壓開關(guān)柜，高壓開關(guān)柜根據(jù)試驗要求，整定好過流保護定值，并驗證保護功能是正常的。

（4）布置勵磁線圈如圖3所示。

圖3 勵磁線圈纏繞方式示意圖

在定子鐵芯上按相同方向、平均分5個區(qū)域集中纏繞勵磁線圈，每個區(qū)域繞10匝。試驗期間存在繞組數(shù)變更的可能性，勵磁電纜頭和尾需留有纏繞定子鐵芯兩圈約30 m的余量。勵磁線圈纏繞、固定完成后，必須仔細檢查無誤后用2 500 V搖表檢查勵磁電纜絕緣。

（5）紅外熱成像儀：業(yè)主或廠家提供紅外熱成像儀隨時監(jiān)測各位置溫度，重點監(jiān)視各過熱區(qū)域的溫度。

（6）溫度測量（熱電偶）的布置：鐵芯上按+X、-X、+Y、-Y、+X+Y、+X-Y、-X+Y、-X-Y八個方向的上、中、下部各放置一個熱電偶測溫計，總共安裝24個熱電偶；在+X、-X、+Y、-Y方向的上下壓板上，也各放置一個熱電偶，上下壓板安裝的熱電偶共是8個；在定子機座上按對應(yīng)上中下部鐵芯溫度計的位置放置12個熱電偶；在鐵芯背部按+X、-X、+Y、-Y、四個方向的上、中、下部標(biāo)好點，并用紅外測溫儀監(jiān)測。在定子內(nèi)圓內(nèi)利用紅外熱成像儀隨時監(jiān)測各位置溫度，以便檢查和發(fā)現(xiàn)局部過熱點。在試驗過程中安裝施工人員現(xiàn)場監(jiān)測溫度計數(shù)據(jù)。

（7）測量線圈的布置：為檢查鐵芯磁場是否均勻，確保測量電壓正確，在鐵芯180°方向布置兩組測量線圈，用2.5 mm2的導(dǎo)線，在兩組勵磁線圈中間緊靠定子鐵芯位置纏繞1圈，測量繞組導(dǎo)線從上下壓板的縫隙中穿過，各繞1匝，分別引至U21與U22并接線。測量繞組應(yīng)包繞定子有效鐵芯，但不應(yīng)包繞定子整個機座。

（8）試驗過程中，機坑內(nèi)安排測量2名人員，讀取熱電偶測溫裝置測溫讀數(shù)。機坑外安排測量人員4人，+X、-X、+Y、-Y方向各一人，讀取定子機架測溫讀數(shù)及用紅外測溫計測量鐵芯背部溫度，準(zhǔn)備4架木梯子。試驗人員安排三人在試驗區(qū)域?qū)﹄妷?、電流、功率、頻率等讀數(shù)記錄，安排一人測量噪聲，安排一人進行現(xiàn)場監(jiān)護及數(shù)據(jù)歸總。

4.5 測量布置

測量布置如圖4～圖6。

圖4 測量布置剖面圖

圖5 定子鐵芯溫度計布置方位圖（單號在上，雙號在下）

圖6 定子齒壓板及機座溫度計布置方位圖

5 試驗說明

5.1 試驗接線

定子鐵芯磁化試驗接線如圖7所示。

圖7中：U1為勵磁電壓測量電壓表；U21、U22為感應(yīng)電壓測量電壓表；A為勵磁電流測量電流表；W為低功率因素瓦特表；PT為電壓互感器；CT為電流互感器；DL為斷路器；f為頻率表。

測量線圈用2.5 mm2塑膠線，在兩組勵磁線圈中間緊靠定子鐵芯位置纏繞1圈。在線圈經(jīng)過定子鐵芯棱角處用足夠強度的絕緣墊防護，避免線圈受損。

圖7 定子鐵芯磁化試驗接線圖

5.2 試驗過程

（1）試驗有關(guān)人員全部就位，在試驗臺上放置溫濕度儀，監(jiān)測環(huán)境溫度和濕度。

（2）檢查試驗接線正確性、勵磁電纜和測量電線的絕緣情況，絕緣阻值大于20 MΩ。

（3）試驗過程中，關(guān)閉有可能照射到定子鐵芯上的所有照明。

（4）所有準(zhǔn)備工作完成并且確認無誤，業(yè)主、廠家、監(jiān)理、施工單位四方簽字認可，方可進行試驗。安全起見，在正式試驗前，做第一次瞬時合閘試驗，無特別異常，做第二次合閘試驗，無異常，則通電10 min，同時調(diào)整測量表計，對比測量實際數(shù)據(jù)與計算值的偏差大小，如有疑問需分析原因，并進行糾正。

（5）各部位正常以后，記錄好各表計的初始值，合試驗用斷路器，同時開始計時。

（6）每隔10 min記錄一次各表計讀數(shù)，并用紅外測溫儀隨時監(jiān)測各部位溫度，找出高溫區(qū)進行重點監(jiān)測，并定時將記錄反饋到試驗臺，以便試驗人員做出判斷。

（7）試驗過程中溫度控制：

定子鐵芯最高溫度不超過70 ℃。

定子鐵芯各部位的最高溫升不超過25 K。

定子鐵芯最大溫差不超過10 K。

鐵芯和機座溫差不超過15 K。

單位損耗符合制造廠規(guī)定。

（8）整個試驗持續(xù)90 min。

（9）定子鐵芯磁化試驗合格后，再次拉伸定子鐵芯穿心螺桿。

5.3 試驗終止及重新開始

（1）試驗終止及重新開始必須由試驗總指揮下令，一般情況下，其他人無權(quán)下令終止或重新開始試驗。

（2）下列情況下，試驗終止：整個試驗持續(xù)90 min。或折算到1 t時，鐵芯的最高溫升超過25 K?；蛘鬯愕? t時，鐵芯部位之間最高溫差不超過10 K，鐵芯與機座間的最高溫差不超過15 K?；蛟囼炦^程中有無局部打火、發(fā)紅甚至冒煙或振動過大等現(xiàn)象發(fā)生。

（3）重新開始試驗：當(dāng)試驗因異常情況終止后，應(yīng)檢查處理異常點。

處理后經(jīng)監(jiān)理、制造廠各方檢查驗收合格后，方可重新開始試驗。

5.4 試驗結(jié)果整理

試驗中對定子鐵芯溫度記錄、參數(shù)測量記錄、試驗參數(shù)計算分析，有關(guān)公式如下：

式中：U2為測量電壓（V）；f為試驗電壓頻率（HZ)；Q鐵芯軛部截面積=L×ha（m2）；W2測量線圈匝數(shù)；B1為計算出的實際磁通密度（T)。

換算至10 000高斯時的單位鐵損如下：

式中，W為實際測量得到的總鐵損；G為鐵軛重量；B1為計算出的實際磁通密度。

6 小結(jié)

定子鐵芯磁化試驗是發(fā)電機定子鐵芯疊片質(zhì)量檢驗的一項至關(guān)重要的試驗，試驗時需要保證磁通量在試驗允許范圍內(nèi)，通過測溫判斷定子整體有沒有局部過熱點，從而推斷出有無片間短路等問題。本文分析850 MW級水輪發(fā)電機組的定子磁化試驗，以期以后同類型的機組試驗提供借鑒。