變頻電源在大型機(jī)組定子磁化試驗(yàn)中的應(yīng)用

張應(yīng)超，閆 晨

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

隨著機(jī)組容量的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)大中型水電站定子均采用現(xiàn)場(chǎng)組裝方式，發(fā)電機(jī)定子鐵心作為發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要大型部件，它由硅鋼片疊片組裝而成。在發(fā)電機(jī)定子鐵心結(jié)束組裝后，需要對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵心進(jìn)行相關(guān)的磁化試驗(yàn)，檢查發(fā)電機(jī)定子鐵心的溫度是否存在異常，單位鐵心損耗是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而綜合判斷定子鐵心是否存在缺陷，比如：在進(jìn)行交接時(shí)、局部或者全部局部修理結(jié)束時(shí)、或者在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)電機(jī)定子鐵心狀態(tài)出現(xiàn)不確定因素時(shí)。

發(fā)電機(jī)定子鐵心損耗試驗(yàn)是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)定子鐵心裝配質(zhì)量的重要工序，也是檢查鐵心絕緣情況的有效方法。若鐵心內(nèi)有短路存在現(xiàn)象，在交變磁通通過(guò)時(shí)，會(huì)使渦流損失增大，局部過(guò)熱，加速鐵心絕緣和定子線圈絕緣老化，嚴(yán)重時(shí)可造成鐵心繞組燒傷和線棒擊穿。

當(dāng)前發(fā)電機(jī)定子鐵心磁化試驗(yàn)，試驗(yàn)電源一般采用50 Hz工頻電源，試驗(yàn)電源電壓的選擇根據(jù)機(jī)組容量大小、定子基本技術(shù)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有電源等因素來(lái)確定。對(duì)于大型發(fā)電機(jī)組而言，定子鐵心固有頻率與試驗(yàn)電源頻率相近時(shí)，試驗(yàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常震動(dòng)或共振，給定子造成不同程度的損傷。定子鐵心固有頻率是無(wú)法改變的，只有通過(guò)改變電源頻率或降低磁通密度的方式來(lái)進(jìn)行常規(guī)磁化試驗(yàn)。

天津TOK項(xiàng)目單機(jī)容量355 MW，額定電壓15.75 kV，采用10 kV電源后端銜接變頻電源的方式進(jìn)行定子鐵心的磁化試驗(yàn)。試驗(yàn)人員根據(jù)外方業(yè)主提出的要求，制定了切實(shí)可行的試驗(yàn)方案，通過(guò)試驗(yàn)前多方面的細(xì)致周密準(zhǔn)備，保證了試驗(yàn)工作的順利進(jìn)行。

2 磁化試驗(yàn)的原理

發(fā)電機(jī)定子鐵心疊裝完成后，遵循GB/T 20835《發(fā)電機(jī)定子鐵心磁化試驗(yàn)導(dǎo)則》的要求進(jìn)行常規(guī)磁化試驗(yàn)[1]。通過(guò)纏繞勵(lì)磁線圈，線圈中通入交流電流，使之在鐵心內(nèi)部產(chǎn)生接近飽和狀態(tài)的交變磁通使鐵心磁化，從而在鐵心中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，使鐵心發(fā)熱。如果鐵心中片間存在絕緣受損或者劣化部分將產(chǎn)生較大的渦流，溫度升高更快。

通過(guò)預(yù)先埋設(shè)的熱電偶或熱成像儀測(cè)量鐵心、上下壓板及定子機(jī)座的溫度，計(jì)算出溫升和溫差。同時(shí)用紅外線測(cè)溫儀查找局部過(guò)熱點(diǎn)及輔助測(cè)溫；在鐵心上纏繞測(cè)量繞組，測(cè)量其感應(yīng)電壓，計(jì)算出鐵心總的有功損耗，最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求比較，判斷定子鐵心的制造、安裝質(zhì)量。

3 磁化試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

以天津TOK項(xiàng)目定子鐵心磁化試驗(yàn)為例，試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算如下（試驗(yàn)電源按照工頻方式來(lái)計(jì)算）：

（1）鐵心有效高度計(jì)算

（2）鐵心軛部寬度計(jì)算

（3）鐵心截面積計(jì)算

（4）勵(lì)磁線圈匝數(shù)計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照1.3 T時(shí)激磁線圈取50匝，按照1.2 T時(shí)激磁線圈取55匝。（依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整）

（5）勵(lì)磁繞組電流（激磁繞組取50匝時(shí)）

激磁繞組取55匝時(shí)

（6）電源容量

激磁繞組取50匝時(shí)所需電源容量：

激磁繞組取55匝時(shí)所需電源容量：

（7）測(cè)量線圈取W2=2匝，測(cè)量電壓

激磁繞組取50匝時(shí)

激磁繞組取55匝時(shí)

勵(lì)磁線圈導(dǎo)線的選擇：按4 A/mm2載流量計(jì)算，所需勵(lì)磁電纜芯線截面積為268.96÷4=67.24 mm2，選1根95 mm2的橡套絕緣銅芯軟電纜纏繞（實(shí)際載流量為2.81 A/mm2），長(zhǎng)度約為760 m。

4 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

（1）定子檢查

檢查所有鐵心螺栓均在規(guī)定的緊固力矩下；檢查定子內(nèi)、通風(fēng)槽溝內(nèi)、上下端部等處不應(yīng)有鐵磁性物質(zhì)遺留；用空壓機(jī)氣體清掃吹除定子內(nèi)外、溝槽等處的灰塵和雜質(zhì)；檢查確認(rèn)定子機(jī)架與基礎(chǔ)支墩可靠固定；檢查定子鐵心是否可靠接地。

（2）定子測(cè)試電源整套裝置檢查

高壓開(kāi)關(guān)柜、降壓變壓器、變頻器柜及升壓變壓器等設(shè)備已安裝調(diào)試完成，并已安全接地。

（3）纏繞勵(lì)磁線圈

定子鐵心壓緊并經(jīng)過(guò)外觀檢查和幾何尺寸測(cè)量合格后，即具備鐵損試驗(yàn)條件?？梢岳p繞激磁繞組。為降低由于磁密不均勻所導(dǎo)致試驗(yàn)和測(cè)量誤差，將定子分為50個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)用95 mm2橡套絕緣銅芯軟電纜緊密纏繞。纏繞激磁線圈時(shí)盡量使所有纜線緊繞在鐵心上，避免纜線進(jìn)入線槽內(nèi)，經(jīng)過(guò)棱角之處需加橡膠板進(jìn)行保護(hù)。

（4）纏繞測(cè)量線圈

測(cè)量繞組用1根6 mm2橡套絕緣銅芯軟電纜用同樣方法在定子鐵心上兩激磁繞組區(qū)域中間位置纏繞2圈。線圈緊放槽底，并包繞定子有效鐵心，不包繞定子機(jī)座，棱角處墊橡膠板保護(hù)。

圖1 勵(lì)磁繞組分部纏繞

（5）儀器、儀表連接

按照?qǐng)D紙示意進(jìn)行儀表、電源連接，并檢查接線正確性。特別注意測(cè)量?jī)x表與線圈極性應(yīng)正確。全部連線完畢后，用500 V兆歐表測(cè)量激磁繞組、測(cè)量繞組等回路絕緣電阻。

（6）溫度計(jì)布置

使用紅外線測(cè)溫槍及紅外線熱成像儀進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

圖2 熱成像儀溫度監(jiān)測(cè)

5 試驗(yàn)步驟

（1）先對(duì)定子鐵心實(shí)施磁通1.3 T時(shí)的接線方式；

（2）檢查各部位接線及繞線與設(shè)備連接，必須依照方案嚴(yán)格執(zhí)行；

（3）對(duì)激磁繞組及高壓部分進(jìn)行絕緣檢測(cè)，對(duì)整個(gè)激磁繞組電纜進(jìn)行直流泄露檢測(cè)；

（4）操作人員、記錄人員、監(jiān)視人員固定專人專位，按照數(shù)據(jù)記錄表格作好初始數(shù)據(jù)記錄；

（5）再次確認(rèn)電纜連接和設(shè)備連接正確后，合上高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器，變頻器帶電，準(zhǔn)備就緒。啟動(dòng)變頻器先輸出一個(gè)低電壓（觀測(cè)各表計(jì)數(shù)值的同時(shí)注意各部位狀況，如有問(wèn)題立刻斷開(kāi)電源）記錄完數(shù)據(jù)后停變頻器，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是否符合要求，如數(shù)據(jù)滿足要求可繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)頻率從45 Hz到70 Hz，查找發(fā)電機(jī)定子的固有頻率，正式進(jìn)行試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電源要躲過(guò)發(fā)電機(jī)定子的固有頻率，本臺(tái)定子的固有頻率為50 Hz左右，所以本臺(tái)發(fā)電機(jī)定子磁化試驗(yàn)頻率采用45 Hz；

（6）正式進(jìn)入測(cè)試時(shí)，合上高壓開(kāi)關(guān)斷路器，觀察定子鐵心振動(dòng)狀況，全面檢查定子鐵心各部狀況，當(dāng)出現(xiàn)冒煙、火花、嚴(yán)重異常響聲時(shí)，應(yīng)立即停電檢查；

（7）試驗(yàn)過(guò)程中以每5 min為限記錄標(biāo)記部位溫度。用紅外成像儀檢測(cè)各部位發(fā)熱情況，如果有過(guò)熱處，應(yīng)當(dāng)特別觀察并做好記錄，如出現(xiàn)溫度大于規(guī)范要求溫度，應(yīng)迅速斷開(kāi)電源；

（8）試驗(yàn)進(jìn)行60 min，每隔5 min記錄一次溫度數(shù)值和各測(cè)量表計(jì)數(shù)值；

（9） 60 min的試驗(yàn)正常后，斷開(kāi)電源，檢查定子機(jī)座焊縫、定位筋與機(jī)座各焊縫應(yīng)無(wú)裂紋，螺桿應(yīng)無(wú)松動(dòng)，拆除試驗(yàn)連線及激磁繞組、測(cè)量繞組等纜線，清除定子鐵心機(jī)座等灰塵雜質(zhì)。

6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）單位鐵損的計(jì)算

1）試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際磁通密度

2）折算到1T時(shí)的單位鐵損

（2）最高齒溫差的換算

δt=（△tmax-△tmix）×（1/B）2（℃）

（3）最高鐵心溫升的換算

△tmax=（t1-t0）×（1/B）2（℃）

（4）判斷標(biāo)準(zhǔn)

在鐵心試驗(yàn)發(fā)生下列情況之一者，即認(rèn)為鐵心不合格。

1）在60 min的試驗(yàn)中，鐵心齒的最高溫（△tmax）不超過(guò)25 ℃。

2）在60 min的試驗(yàn)中，各棱齒間的最大溫差（δt）不超過(guò)15 ℃。

3）經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的單位鐵損（P1）應(yīng)不大于廠家技術(shù)要求。

7 變頻定子測(cè)試電源

由于定子鐵心固有頻率是無(wú)法改變的，只有通過(guò)改變電源頻率或降低磁通密度的方式來(lái)進(jìn)行常規(guī)磁化試驗(yàn)。

KFS系列定子測(cè)試電源，以微處理器為核心，采用PWM方式產(chǎn)生正弦波、脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可模擬輸出不同電壓等級(jí)、頻率，可滿足各行業(yè)所帶負(fù)載的需求。電源通過(guò)隔離變壓器輸出，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、輸出波形品質(zhì)好、操作簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等特點(diǎn)，具有完善的短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)功能，以保證電源可靠運(yùn)行。

定子測(cè)試源可以為進(jìn)口電氣設(shè)備進(jìn)行變壓、變頻測(cè)試及供電而設(shè)計(jì)制造的，能提供世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓及頻率，輸出電壓（0~1 000 V）、頻率（40~70 Hz）無(wú)級(jí)數(shù)字可調(diào)電壓，波形穩(wěn)定純凈，消除電網(wǎng)干擾，適用于電器產(chǎn)品變壓、變頻測(cè)試；實(shí)驗(yàn)室、計(jì)量室等各種精密測(cè)試。

8 定子測(cè)試源原理

（1）定子測(cè)試源主回路

定子測(cè)試源的主回路采用典型的交-直-交電壓源性拓步結(jié)構(gòu)。由隔離轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)、整流電路、逆變電路、預(yù)充電電路、正弦濾波器等構(gòu)成。

交-直-交變頻電路的工作原理：將三相不可調(diào)交流電經(jīng)全波整流電路整流成直流電，然后又經(jīng)逆變電路“逆變”成頻率和電壓均可調(diào)的三相交流電，交流電經(jīng)過(guò)正弦波濾波器，輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦交流電壓。在定子測(cè)試源的輸入和輸出之間，經(jīng)歷了“交流-直流-交流”的過(guò)程。

（2）定子測(cè)試源控制回路

控制回路發(fā)出各種指令以使定子測(cè)試源有不同的響應(yīng)和動(dòng)作?？刂苹芈钒ㄖ骺匕濉⒛赴濉Ⅱ?qū)動(dòng)板、采樣板等。

主控板和母板控制著整個(gè)定子測(cè)試源的運(yùn)作，通過(guò)中央處理器發(fā)出各種工作信號(hào)、警示信號(hào)、運(yùn)行指令、保護(hù)指令，以使定子測(cè)試源實(shí)現(xiàn)各種功能。采樣板采集電壓信號(hào)，便于液晶屏顯示。驅(qū)動(dòng)板收到CPU的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)，以使IGBT實(shí)現(xiàn)逆變效果。顯示分為待機(jī)參數(shù)顯示、運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示、故障、保護(hù)顯示。在待機(jī)狀態(tài)下查找參數(shù)，在運(yùn)行狀態(tài)下，顯示各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，如頻率、電流、電壓，當(dāng)變頻器故障時(shí)顯示保護(hù)參數(shù)。

（3）定子測(cè)試源工作特點(diǎn)

1）有兩種啟動(dòng)方式可選擇：變頻軟啟動(dòng)和直流啟動(dòng)。

2）電源過(guò)電壓保護(hù)。變頻器對(duì)直流母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦電源電壓超過(guò)額定電壓的10%，定子測(cè)試源立即進(jìn)行保護(hù)。

3）欠壓保護(hù)。當(dāng)電源電壓太低、電源瞬時(shí)停電、電網(wǎng)容量太小或網(wǎng)內(nèi)有較大的沖擊電流時(shí)，定子測(cè)試源立即進(jìn)行保護(hù)。

4）過(guò)載保護(hù)。當(dāng)負(fù)載過(guò)大，使逆變器輸出電流超過(guò)保護(hù)值，且持續(xù)流通時(shí)間達(dá)規(guī)定的時(shí)間上限時(shí)，為了防止逆變器元件、電線等損壞，定子測(cè)試源會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

5）過(guò)熱保護(hù)。因?yàn)榄h(huán)境溫度過(guò)高，冷卻風(fēng)扇不運(yùn)轉(zhuǎn)或載波頻率過(guò)大，都會(huì)使定子測(cè)試源在運(yùn)行過(guò)程中能量損耗和散熱通風(fēng)不暢。而定子測(cè)試源內(nèi)裝的風(fēng)扇是箱體內(nèi)部散熱的主要手段，它將保證控制回路電路正常工作。

6）定子測(cè)試源的調(diào)頻范圍廣，頻率連續(xù)可調(diào)，啟動(dòng)時(shí)間連續(xù)可調(diào)。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的研究，總結(jié)出完整的、有效的、適合大型機(jī)組定子磁化試驗(yàn)采用變頻電源方式進(jìn)行試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，周密的分析，提出科學(xué)的解決方法。本次實(shí)踐為國(guó)內(nèi)少見(jiàn)的在大型機(jī)組定子磁化試驗(yàn)采用變頻電源進(jìn)行調(diào)節(jié)頻率和電壓，為大型發(fā)電工程類似項(xiàng)目提供參考資料。為大型水輪發(fā)電機(jī)組磁化過(guò)程中共振問(wèn)題的解決提供思路。