鐵心異常時基于異頻電流激勵法的定子鐵心損耗試驗分析

盛明珺,王曉蘭,劉守豹,徐 鉻,宋佳駿,胡思宇

(1.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.中國長江電力股份有限公司技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

發(fā)電機定子鐵心是發(fā)電機的重要組成部分，定子鐵心是由硅鋼片疊合組裝成的，由制造和檢修出現(xiàn)的問題，以及運行中出現(xiàn)的正常損耗，均可能導(dǎo)致鐵心的片間絕緣損壞，造成短路，在短路區(qū)域形成局部過熱的情況[1-6]。根據(jù)統(tǒng)計，由定子繞組絕緣破壞帶來的繞組短路故障占發(fā)電機實際運行中故障總數(shù)的30%～40%[7-8]。因此，為了保障運行安全，在進(jìn)行交接或預(yù)防性試驗時均要進(jìn)行定子鐵心損耗試驗[9-13]。

傳統(tǒng)的試驗方式是基于工頻大電流激勵法進(jìn)行的，在定子鐵心上纏繞激勵線圈，并在線圈中通入工頻電流，激勵電流大小根據(jù)繞線匝數(shù)有所不同，但是總體來看發(fā)電機容量越大，需要的激勵電流越大。此時，鐵心內(nèi)部會產(chǎn)生交變磁通，鐵心在交變磁通中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，鐵心發(fā)熱，溫度會快速升高[14-18]。若鐵心中片間絕緣受損或劣化，劣化部分會產(chǎn)生較大的局部渦流，溫度快速上升，從而找出過熱點[19]。試驗時在鐵心上纏繞測量繞組，測出鐵心中不同時刻的磁感應(yīng)強度，并根據(jù)測得的勵磁電流、電壓計算出鐵心的有功損耗[20-22]。把測量、計算結(jié)果與設(shè)計要求相比較，來判斷定子鐵心的制造、安裝整體質(zhì)量。

由于發(fā)電機容量越大，需要的勵磁電流越大，試驗時的繞線工作就變得十分艱難。為了降低發(fā)電機定子鐵心損耗試驗的工作難度，本文提出通過增加激勵電流頻率提高鐵心感應(yīng)渦流幅值，從而采用異頻小電流取代工頻大電流的替代方案。為了對該方法的可行性進(jìn)行研究，本文采用有限元仿真的方式，建立鐵心存在缺陷情況下的分析模型，通過對工頻大電流和異頻小電流下的異常鐵心發(fā)熱情況進(jìn)行分析，驗證了采用異頻小電流在鐵心異常情況下的仿真結(jié)果與工頻大電流存在相似性，論證了采用異頻電流法開展發(fā)電機定子鐵心損耗試驗的可行性。

1 理論分析

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化磁場中感應(yīng)電動勢的計算公式為

(1)

式中：e為感應(yīng)電動勢；N為線圈匝數(shù)；Φ為磁通量；t為時間。

假設(shè)磁通量Φ隨著時間按照正弦規(guī)律變化，即有：

Φ=Φmsinωt

(2)

式中：Φm為主磁通的最大值;ω為角頻率。

將式(2)代入式(1)得到：

e=-NωΦmcosωt

(3)

感應(yīng)電動勢e的最大值為

Em=NΦmω

(4)

其有效值為

(5)

式中：f為激勵電源頻率。

式(5)的近似計算公式為

E=4.44fNΦm

(6)

Φm的磁路表達(dá)式為

(7)

式中：I為勵磁電流；Rm為磁路的磁阻。

因此式(6)可改寫為

(8)

在發(fā)電機定子鐵心中，如果感應(yīng)電流在微小回路的電阻為R，其發(fā)熱量P的計算式為

(9)

由此可見，采用交變磁場對定子鐵心進(jìn)行加熱，在試驗對象及空間材料保持不變的前提下，鐵心發(fā)熱量與激勵線圈匝數(shù)、激勵電流頻率、激勵電流幅值的平方成正比。

因此，從理論上講，在保持定子鐵心發(fā)熱量不變的情況下，通過增加勵磁電流的頻率，可以減小電流幅值，從而減小勵磁線圈的截面積和質(zhì)量。

2 方案設(shè)計

圖1 仿真及實測試驗方案設(shè)計圖

根據(jù)相關(guān)理論，設(shè)計仿真模型，如圖1所示。試驗設(shè)計具體說明如下：

(1) 采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell建立鐵心缺陷情況下時變電磁場仿真模型。

(2) 采用工頻大電流通過激勵線圈，得到工頻大電流下，異常鐵心的磁通密度分布、渦流分布和發(fā)熱量分布的仿真結(jié)果。

(3) 進(jìn)一步地，增加電流頻率，減小電流幅值，即在激勵線圈中通入異頻小電流，進(jìn)行仿真及分析。

(4) 設(shè)置結(jié)果觀察線及觀察點，對仿真結(jié)果進(jìn)行局部放大觀察。

(5) 對比兩種電流激勵下的磁通密度、渦流、發(fā)熱分布情況，檢驗其一致性和可行性。

(6) 進(jìn)行規(guī)定環(huán)境變量下，工頻試驗。

(7) 進(jìn)行規(guī)定環(huán)境變量下，異頻試驗。

(8) 對比鐵心異常情況下兩種激勵下的電量信息及溫升情況，驗證異頻電流開展鐵心損耗試驗的可行性。

3 仿真試驗及分析

根據(jù)上述方案，進(jìn)行縮比模型建立，進(jìn)一步地進(jìn)行仿真和實測試驗，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 有限元仿真模型的建立

為了對鐵心存在缺陷情況下異頻小電流激勵法與工頻大電流激勵法的相似性進(jìn)行分析，采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell建立時變電磁場仿真模型，對應(yīng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型

圖2(a)為模型的三維視圖，模型的內(nèi)直徑7 mm，外直徑10 mm，硅鋼片厚度0.5 mm，硅鋼片的片間距離0.2 mm，激勵線圈直徑0.4 mm，固定鋼構(gòu)厚度為0.2 mm。將缺陷部分放大如圖2(b)所示，鐵心缺陷為硅鋼片間出現(xiàn)短路，其中固定鋼構(gòu)為導(dǎo)電導(dǎo)磁材料，其與硅鋼片導(dǎo)通，連接中間、下層硅鋼片的短路金屬絲為銅質(zhì)圓柱體，半徑為0.01 mm。仿真結(jié)果的觀察面如圖2(c)所示，觀察線位于中間硅鋼片，由于鐵心缺陷情況下場量變化更加劇烈，故將觀察點的數(shù)量設(shè)置為1 000個。

3.2 仿真結(jié)果

進(jìn)行仿真時，在激勵線圈中通過50 Hz、13.68 A的工頻大電流，仿真得到觀察面上的場量分布情況如圖3所示。由圖3可知，中層和下層鐵心在存在短路點的情況下，感應(yīng)電流及發(fā)熱區(qū)域均集中在短路導(dǎo)體與鐵心的連接處。

進(jìn)一步地，為了對鐵心存在缺陷情況下采用異頻小電流法進(jìn)行測試有效性驗證，在激勵線圈中通入1 000 Hz、1.368 A的異頻小電流，得到觀察面上的場量結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在異頻小電流作用下的磁通密度與工頻大電流時的磁通密度差異較為明顯，但是渦流、發(fā)熱量分布情況較為類似，均在短路導(dǎo)體與鐵心的連接處出現(xiàn)明顯發(fā)熱區(qū)域。

圖3 鐵心缺陷時工頻大電流激勵下的仿真結(jié)果

圖4 鐵心缺陷時異頻小電流激勵下的仿真結(jié)果

圖6 渦流分布及其放大顯示

3.3 仿真結(jié)果分析

為了對兩種情況下的場量分布情況進(jìn)行量化分析，激勵電流幅值減小后觀測線上場量分布于正常電流下的分布如圖5～圖7所示。圖5為觀察線上磁通密度分布情況；圖6為觀察線上的渦流分布情況，并對不同區(qū)間的觀察點變化情況進(jìn)行了放大顯示；圖7為觀察線上的發(fā)熱量分布情況，同樣對不同區(qū)間的觀察點進(jìn)行了放大顯示。

圖5 磁通密度分布

圖7 發(fā)熱量分布及其放大顯示

由圖5～圖7可知，鐵心在短路點渦流分布和發(fā)熱量均發(fā)生畸變，但是從整體分布趨勢來看，缺陷鐵心在通入工頻大電流和異頻小電流的情況下，除了磁通密度有較為明顯的差異外，渦流分布和發(fā)熱量分布均有較好的相似性。

3.4 試驗及分析

為進(jìn)一步驗證采用異頻電流法開展定子鐵心損耗的可行性，開展試驗測試。試驗采用的具體參數(shù)如表1所示，發(fā)電機型號為M2BAX100LA4。

表1 發(fā)電機主要參數(shù)表

圖8 測試設(shè)備及儀器

主要測試設(shè)備與儀器如圖8所示。為模擬鐵心異常情況，采用刀片將定子鐵心端部的漆膜刮掉，通過焊錫將硅鋼片人為短路，制造故障點。

試驗時試驗室溫度24 ℃、濕度35%。在1.4 T磁場強度的情況下，激勵線圈30匝，開展該發(fā)電機定子鐵心損耗試驗工頻激勵電壓為4.2 V，激勵電流為7.3 A。為了加快試驗，將激勵電壓升高至20.4 V，激勵電流22.0 A，發(fā)熱有功功率為148.3 W。

試驗結(jié)果如表2和表3所示。在定子鐵心吸收有功功率相同的情況下，故障點與其他區(qū)域的溫差明顯，且這種差異在通電之初就表現(xiàn)出來。不同頻率下持續(xù)通電15 min后的熱成像圖片如圖9所示。由圖9可知，在定子鐵心吸收有功功率相同和頻率不同時，最高溫度點均位于人為制造的缺陷點處，表明采用異頻電流激勵法對于定子鐵心短路缺陷點位的檢測有效。

4 結(jié) 語

(1) 保持定子鐵心發(fā)熱量不變的情況下，通過增加勵磁電流的頻率，可以減小電流幅值，從而減小勵磁線圈的截面積和質(zhì)量。

(2) 存在短路點時，在激勵線圈中通入工頻大電流和異頻小電流，均會在短路導(dǎo)體與鐵心的連接處集中出現(xiàn)感應(yīng)電流及發(fā)熱區(qū)。

表2 鐵心異常時工頻激勵下電特征參數(shù)及溫升情況

表3 鐵心異常時300 Hz激勵下電特征參數(shù)及溫升情況

圖9 鐵心異常情況下兩種激勵電流15 min熱成像圖

(3) 在鐵心存在短路缺陷的情況下，采用異頻小電流法開展發(fā)電機定子鐵心損耗試驗?zāi)軌虮ＷC鐵心發(fā)熱分布與工頻大電流激勵時除了磁通密度分布存在明顯差異外，在渦流分布和發(fā)熱量分布上基本一致，理論上證明了異頻小電流對工頻大電流的可替代性。

(4) 在定子鐵心吸收有功功率相同的情況下，故障點與其他區(qū)域的溫差明顯，且這種差異在通電之初就表現(xiàn)出來。在頻率不同時，最高溫度點均位于人為制造的缺陷點處，采用異頻電流激勵法對于定子鐵心短路缺陷點位的檢測效果確切。