柴油發(fā)電機(jī)作為施工電源在定子磁化試驗(yàn)中的探討

邱世貴，梁道興

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

馬里古伊那水電站工程項(xiàng)目是“一帶一路”倡議走向西非大地的一個(gè)縮影，電站位于塞內(nèi)加爾河流中段，距卡伊市80 km，安裝3臺(tái)卡普蘭式機(jī)組(功率46.67 MW)，總裝機(jī)容量140 MW。

古伊那水電站定子鐵心是現(xiàn)場(chǎng)疊片組裝，為確認(rèn)定子鐵心硅鋼片設(shè)計(jì)制造、現(xiàn)場(chǎng)堆積、壓緊等鐵心質(zhì)量，可通過(guò)磁化試驗(yàn)檢查硅鋼片間是否有短路情況，絕緣是否良好，鐵心溫升是否滿足規(guī)范及主機(jī)廠技術(shù)文件要求，定子鐵心比損耗是否滿足所用硅鋼片的標(biāo)準(zhǔn)比損耗。由于馬里地處西非內(nèi)陸，電力供應(yīng)極度匱乏，輸電網(wǎng)絡(luò)單一，覆蓋區(qū)域小，對(duì)于古伊那電站項(xiàng)目施工區(qū)并未形成配電網(wǎng)，施工電源也面臨挑戰(zhàn)，無(wú)外來(lái)市電電源，因此施工電源采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，對(duì)定子磁化試驗(yàn)的電源選擇有一定的難度。

2 磁化試驗(yàn)基本原理及方法

在發(fā)電機(jī)定子鐵片堆積、壓緊后的鐵心上纏繞勵(lì)磁繞組，繞組中通入根據(jù)機(jī)組參數(shù)計(jì)算得出的工頻電流，使之在鐵心內(nèi)部產(chǎn)生接近飽合狀態(tài)的交變磁通。根據(jù)規(guī)范(GB/T 208352—2016)要求，水輪發(fā)電機(jī)取激磁磁感應(yīng)強(qiáng)度H約為1 T左右，鐵心在交變磁通中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，使鐵心發(fā)熱，溫度很快上升。同時(shí)，使那些鐵心中片間絕緣受損或劣化部份產(chǎn)生較大的局部渦流，溫度急劇上升，從而找出過(guò)熱點(diǎn)。試驗(yàn)中用紅外線測(cè)溫槍測(cè)量定子鐵心、上、下齒壓板及定子機(jī)座的溫度，計(jì)算出鐵心最大溫升(Δtmax)和溫差Δt(即Δt=Δtmax-Δtmin)。在鐵心上纏繞測(cè)量繞組，測(cè)量其感應(yīng)電壓，計(jì)算出鐵心中不同時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并根據(jù)測(cè)得的勵(lì)磁電流、電壓計(jì)算出鐵心的有功損耗。最終根據(jù)定子鐵心的溫升來(lái)判斷定子鐵心質(zhì)量，定子鐵心比損耗值作為鐵心質(zhì)量的輔助判斷。

2.1 定子鐵心基本參數(shù)

試驗(yàn)前需要計(jì)算勵(lì)磁繞組的匝數(shù)、勵(lì)磁電流大小及鐵心的質(zhì)量，計(jì)算中用到的主要基本參數(shù)有：定子鐵心外徑D1=8.8 m，定子鐵心內(nèi)徑D2=8.2 m，定子鐵心總長(zhǎng)L1=1.074 m，定子鐵心齒高h(yuǎn)c=0.126 9 m，定子鐵心通風(fēng)溝數(shù)為29，定子鐵心通風(fēng)溝寬b=0.006 m，試驗(yàn)電源頻率f=50 Hz，定子鐵心軛部截面面積Q=0.148 m2，試驗(yàn)時(shí)定子鐵心軛部磁通密度B=1 T，定子軛部磁場(chǎng)強(qiáng)度H=2 A/m，定子鐵心軛高h(yuǎn)ys=0.173 m，定子鐵心凈長(zhǎng)lu=0.855 m，定子鐵心疊壓系數(shù)kFe=0.95，電源容量系數(shù)Ks=1.732，硅鋼片密度ρ=7.6kg/m3。

2.2 理論計(jì)算結(jié)果

(1)勵(lì)磁電壓。U1=380 V(此為理論值用于計(jì)算，實(shí)際值為試驗(yàn)設(shè)備輸出電壓)，實(shí)際電壓為柴油機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電壓。

(3)理論計(jì)算測(cè)量線匝數(shù)為5匝(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)表計(jì)調(diào)整測(cè)量匝數(shù))。

(5)定子軛部理論重量。m=π(D1-hys)Qρ=30 469 kg。

(6)定子鐵心軛部截面。s=lu×kys=0.148 001 m2。

(7)勵(lì)磁線圈導(dǎo)線截面。s1=I/4=123 mm2，取≥150 mm2。

(8)根據(jù)《發(fā)電機(jī)定子鐵心磁化試驗(yàn)導(dǎo)則》(GB/T 20835—2016)中“電源容量”章節(jié)，試驗(yàn)電源容量按下式計(jì)算：

S=KsU1I×10-3

得出電站定子磁化試驗(yàn)要求電源容量S=1.732×380×492.5×10-3=328 kVA，故取≥350 kVA。

3 準(zhǔn)備工作

(1)試驗(yàn)設(shè)備。電壓表，電流表，低功率因數(shù)瓦特表，頻率表，電流互感器，鉗形電流表，紅外線測(cè)溫槍?zhuān)^緣兆歐表，試驗(yàn)用電纜。

(2)對(duì)定子各部位進(jìn)行徹底的清掃，全面檢查機(jī)座和鐵心，移走所有與試驗(yàn)無(wú)關(guān)的設(shè)備；檢查通風(fēng)溝、上下端部位置、各環(huán)板間，保證各處無(wú)殘留金屬物件；完成緊固并檢查定子鐵心所有拉桿螺絲等全部機(jī)械工作；用銅芯線將定子鐵心(機(jī)座上)可靠地一點(diǎn)接地，銅芯線截面積應(yīng)≥50 mm2。

(3)在定子鐵心上按相同方向、均勻纏繞勵(lì)磁線圈。勵(lì)磁線圈纏繞時(shí)，應(yīng)繞定子有效鐵心，在鐵心和機(jī)座棱角處用絕緣隔離繞勵(lì)磁電纜，并用扎帶固定在電纜上。測(cè)量線圈應(yīng)繞在與勵(lì)磁線圈成90°或者在相鄰兩組勵(lì)磁線圈平分的位置，其匝數(shù)根據(jù)電壓表要求決定。

(4)按定子圓周均分布置測(cè)溫點(diǎn)8處，每處布置上、中、下3點(diǎn)，其中上測(cè)點(diǎn)和下測(cè)點(diǎn)為齒部，中測(cè)點(diǎn)為槽底，共計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)用紅外線測(cè)溫槍定時(shí)測(cè)量各點(diǎn)溫度，并作好記錄。

4 鐵心質(zhì)量判定

(1)鐵心最大溫升Δtmax限值。在1 T磁通密度下，試驗(yàn)經(jīng)過(guò)90 min后，鐵心最大溫升Δtmax限值≤25 K。

(2)鐵心相同部位(定子齒或槽)溫差Δt的限值。在1 T磁通密度下，試驗(yàn)經(jīng)過(guò)90 min后，定子鐵心相同部位(定子齒或槽)最大溫升與最小溫升之差，即Δt=Δtmax-Δtmin≤15 K。

5 安全注意事項(xiàng)

(1)在試驗(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)入鐵損試驗(yàn)區(qū)域的人數(shù)。

(2)試驗(yàn)期間，停止廠房?jī)?nèi)其他用電設(shè)備運(yùn)行，保持電壓穩(wěn)定。

(3)試驗(yàn)過(guò)程中注意安全，做好防護(hù)措施，無(wú)關(guān)人員未經(jīng)同意禁止靠近試驗(yàn)區(qū)域；有異常情況時(shí)停止主電源再進(jìn)行檢查。

(4) 試驗(yàn)區(qū)域附近不得進(jìn)行可能產(chǎn)生大的噪音的其他作業(yè)。

6 試驗(yàn)過(guò)程

(1)關(guān)閉所有直接照射到并導(dǎo)致定子鐵心溫度提升的照明設(shè)備，各部位測(cè)量人員就位，記錄好各表計(jì)的初始值以及鐵心上分布好的各測(cè)溫點(diǎn)的初始溫度，合試驗(yàn)用斷路器，開(kāi)始計(jì)時(shí)。每隔15 min記錄1次各溫度計(jì)讀數(shù)，用紅外線測(cè)溫槍或溫度計(jì)測(cè)量各點(diǎn)的溫度并記錄。

(2)試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)下列情況試驗(yàn)應(yīng)終止：整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)過(guò)程中，折算到1 T時(shí)，鐵心最大溫升不超過(guò)25 K，最大溫升與最小溫升不得超過(guò)15 K；或試驗(yàn)過(guò)程中有局部打火、發(fā)紅甚至冒煙或振動(dòng)過(guò)大等現(xiàn)象發(fā)生。

(3)整個(gè)試驗(yàn)完成以后，復(fù)核鐵心內(nèi)徑、鐵心高度、碟簧高度等相關(guān)尺寸，滿足設(shè)計(jì)要求方可將所有試驗(yàn)設(shè)備撤除、退場(chǎng)，然后將試驗(yàn)區(qū)域清理干凈(見(jiàn)圖1～圖3)。

S-交變電源；M1-勵(lì)磁線圈；M2-測(cè)量線圈；TA-電流互感器；f1-頻率表；V1、V2-電壓表；A-電流表；W-低功率因數(shù)瓦特表

圖2 磁化試驗(yàn)勵(lì)磁繞組接線

圖3 磁化試驗(yàn)柴油機(jī)并聯(lián)供電

(4)主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下所示(見(jiàn)表1～表3)。

表1 溫度測(cè)量記錄

表2 溫升記錄

表3 單位鐵損記錄

(5)計(jì)算公式及過(guò)程。

U1為實(shí)際電壓(V)；B為磁通密度(T)；U′為儀表讀數(shù)(V)；Q為鐵心軛部截面面積(m2)；U2為實(shí)際電壓(V)；W1為勵(lì)磁線圈匝數(shù),12匝；U2′為儀表讀數(shù)(V)；lu為鐵心凈長(zhǎng)(m)；I2為實(shí)際二次勵(lì)磁電流(A)；hys為鐵心軛高(m)；I′為儀表讀數(shù)(A)；kFe為鐵心疊壓系數(shù)，取0.95；I1為實(shí)際一次勵(lì)磁電流(A)；D1為鐵心外徑(m)；I2為實(shí)際二次勵(lì)磁電流(A)；D2為鐵心內(nèi)徑(m)；f為頻率(Hz)；△PFe為鐵心單位損耗(W/kg)；P2為二次損耗(W)；m為鐵心軛部重量(kg)；P′為儀表讀數(shù)(W)；ρ為硅鋼片密度(kg/m3)，取7.6×103；PFe為總損耗(W)；△P1T50為1 T、50 Hz時(shí)定子單位鐵損(W/kg)。

勵(lì)磁電壓：電壓表接線柱選擇500 V檔，儀表刻度125，U1/U′=500/125。

勵(lì)磁電流：電流表接線柱選擇5 A檔，儀表刻度100，I2/I′=5/100；也就是電流表滿量程時(shí)測(cè)得的是5 A。但電流互感器變比為600∶5，I1/I2=600/5，即電流表可實(shí)際測(cè)得至600 A。

次級(jí)電壓：電壓表接線柱選擇150 V檔，儀表刻度150，U2/U2′=1/1。

頻率：直接從儀表讀取。

總損耗：電壓接線柱選擇150 V檔，電流接線柱選擇5 A檔，儀表刻度150，P2/P′= (150×5)/150；電流互感器變比為600∶5，PFe/P2=600/5。

磁密：B=U1/(4.44fQW1)=U1/(4.44×f×0.148×12)Q=luhys=0.855×0.173 1=0.148；lu=kFe(L1-bn)=0.95×(1.074-0.006×29)=0.855，hys=(D1-D2)/2-hc=(8.8-8.2)/2-0.126 9=0.173 1。

單位鐵損：△PFe=PFe/m；m=π(D1-hys)Qρ=π(8.8-0.173 1)0.148×7.6×103=30 469。

1 T、50 Hz時(shí)定子單位鐵損：△P1T50=△PFe×(1/B)2×(50/f)1.3。

判定準(zhǔn)則：實(shí)測(cè)單位鐵損折算到1 T磁密下，不得超過(guò)1.3倍的理論損耗，即≤1.3×1.1。

說(shuō)明：此項(xiàng)單位鐵損用于輔助判斷鐵心質(zhì)量。

試驗(yàn)結(jié)論：合格。

7 結(jié) 語(yǔ)

馬里古伊那水電站定子磁化試驗(yàn)因受現(xiàn)場(chǎng)施工電源的限制，采用2臺(tái)400 kW柴油機(jī)并列運(yùn)行作為試驗(yàn)電源，試驗(yàn)圓滿成功，定子鐵心比損耗值符合規(guī)范及廠家技術(shù)要求，對(duì)類(lèi)似電站的磁化試驗(yàn)具有參考意義。

■