解 兵

(江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司，江蘇南京211103)

鐵芯是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，主磁通隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種交變磁場在鐵芯中產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，使鐵芯溫度升高。如果鐵芯的片間絕緣損壞，就會造成鐵芯故障部位局部過熱，使得片間絕緣的進(jìn)一步損壞，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，在發(fā)電機(jī)交接試驗(yàn)、局部或全部更換定子繞組前后以及在發(fā)現(xiàn)定子鐵芯有損傷等缺陷時，必須對定子進(jìn)行鐵芯損耗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并處理鐵芯缺陷部位，避免故障擴(kuò)大化[1]。

隨著發(fā)電機(jī)容量越來越大，發(fā)電機(jī)鐵損試驗(yàn)所需的勵磁電源也越來越大，而且勵磁電纜的要求也越來越高，使得傳統(tǒng)的鐵芯損耗試驗(yàn)變得更加困難和難以實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代末，英國中央發(fā)電局研發(fā)了一種新的發(fā)電機(jī)定子鐵芯故障測試技術(shù)，即ELCID鐵芯試驗(yàn)，通過這些年來的研究，ELCID鐵芯試驗(yàn)已經(jīng)在試驗(yàn)中不斷地完善[2]。目前，ELCID試驗(yàn)在發(fā)達(dá)國家一些大的電力生產(chǎn)和制造行業(yè)已得到較為廣泛的應(yīng)用；我國的發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家及部分電力試驗(yàn)單位也開始利用ELCID設(shè)備開展發(fā)電機(jī)鐵芯檢測工作，并取得了一些成績[3,4]。

1 ELCID鐵芯試驗(yàn)原理

ELCID使用常規(guī)的方法在發(fā)電機(jī)鐵芯中產(chǎn)生磁通，為了使鐵芯中的磁通盡量均勻，要求勵磁線圈從鐵芯中心沿軸向布置產(chǎn)生勵磁。ELCID的探頭采用Chattock電位計(jì)，Chattock電位計(jì)的工作原理如圖1所示。

根據(jù)全電流定律，磁場強(qiáng)度H沿任一閉合回路的線積分，等于這個閉合回路所包圍的電流。即：閉合回路由鐵芯和空氣2部分組成，則：

圖1 Chattock電位計(jì)工作原理

由于鐵芯的相對磁導(dǎo)率是空氣的幾千倍，式（2）可寫為：

用Chattock電位計(jì)探測鐵芯故障時，可測量出電位計(jì)測量端之間的感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢和電流的關(guān)系：

式（4）中：μ0為空氣中磁導(dǎo)率；ω為電流的角頻率；n為電位計(jì)單位長度上的繞組匝數(shù)；A為電位計(jì)繞組的橫截面積；k為電位計(jì)參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。

由于式（4）中的 μ0為常數(shù)，n，A，ω 是與電位計(jì)有關(guān)的常數(shù)，k只與電位計(jì)參數(shù)有關(guān)，因此Chattock電位計(jì)的感應(yīng)電壓只與電流的大小成正比。當(dāng)鐵芯片間絕緣損傷后，交變的磁通就會感應(yīng)出故障電流，如圖2所示。

圖2 故障電流產(chǎn)生原理

由于鐵芯片間短路產(chǎn)生的故障電流要遠(yuǎn)小于產(chǎn)生磁通的勵磁電流，因此，ELCID測試儀將Chattock電位計(jì)的感應(yīng)電勢中勵磁電流產(chǎn)生的分量作為主要分量，稱為直軸量。故障電流、勵磁電流產(chǎn)生的磁通以及故障電流產(chǎn)生的感應(yīng)電勢交軸量的相位關(guān)系如圖3所示。故障電流與直軸量之間有一定角度，將故障電流產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分成交軸量和直軸量2個部分，通過比較分析感應(yīng)電勢的交軸分量的大小，可以確定是否存在片間短路。

圖3 故障電流與主磁通的向量關(guān)系

ELCID測試儀中Chattock電位計(jì)測試的感應(yīng)電勢以電流的形式表示，并且規(guī)定，當(dāng)施加4%額定磁通時，如果感應(yīng)電勢的交軸分量的絕對值超過100 mA，則可能存在片間絕緣故障。

2 ELCID鐵芯試驗(yàn)方法

2.1 ELCID鐵芯測試系統(tǒng)勵磁電源的確定

根據(jù)ELCID測試儀的要求[5]，試驗(yàn)時，需要給鐵芯施加的勵磁磁通為其額定磁通的4%，所以ELCID鐵芯試驗(yàn)所需的勵磁電壓、勵磁電流要比常規(guī)的鐵損試驗(yàn)小得多。發(fā)電機(jī)鐵芯的額定勵磁每圈所需的勵磁電壓計(jì)算公式為：

式(5)中：Ui為發(fā)電機(jī)額定線電壓；tp為每相串聯(lián)匝數(shù)，2tp則為每相導(dǎo)體根數(shù)；K為繞組系數(shù)，通常取K=0.92。

勵磁電流是由定子鐵芯磁導(dǎo)率決定的。經(jīng)驗(yàn)顯示，鐵芯周長上每米需要3～10 A的勵磁電流，就能獲得4%的額定勵磁電壓，極端情況需要2～15 A。因此，ELCID鐵芯試驗(yàn)系統(tǒng)所需要的勵磁電源容量應(yīng)為：

式（6）中：I為試驗(yàn)時通過鐵芯的總安匝數(shù)。

2.2 ELCID鐵芯試驗(yàn)接線

ELCID鐵芯試驗(yàn)接線如圖4所示。

圖4 ELCID鐵芯試驗(yàn)接線

2.3試驗(yàn)步驟

首先根據(jù)圖4連接設(shè)備，試驗(yàn)前利用校準(zhǔn)單元進(jìn)行Y軸校準(zhǔn)，即利用校準(zhǔn)單元的標(biāo)準(zhǔn)鐵芯，使得測量的直軸量跟實(shí)際直軸量相位一致。由于標(biāo)準(zhǔn)鐵芯是絕緣良好的，此時顯示測量的交軸量為0 mA；接著在鐵芯內(nèi)部用卷尺測量一段距離，將小車通過此長度來進(jìn)行X軸校準(zhǔn)(距離校準(zhǔn))，使得儀器測量的距離跟實(shí)際距離一致。施加較小的勵磁電壓，調(diào)節(jié)小車兩臂寬度及曲度，使之能很好放置于槽兩側(cè)的鐵芯，并與之充分接觸，同時觀察檢測的直軸量，若直軸量與預(yù)算值（總安匝數(shù)除以槽數(shù)）偏差不大，則繼續(xù)施加勵磁電壓，直至4%的電壓；在定子鐵芯內(nèi)標(biāo)好槽號，根據(jù)槽號逐槽進(jìn)行測試，當(dāng)探測小車沿定子鐵芯齒部探測時，通過筆記本電腦同時記錄電流的交軸分量、直軸分量和距離信號，以便出現(xiàn)故障時進(jìn)一步判斷故障的大概位置。

3實(shí)例分析

國電泰州發(fā)電有限公司2號發(fā)電機(jī)是哈爾濱汽輪發(fā)電機(jī)有限公司引用日本東芝技術(shù)生產(chǎn)的TAKS型1 000 MW發(fā)電機(jī)，大修期間對其鐵芯進(jìn)行ELCID試驗(yàn)。

3.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，首先確定所需的勵磁電源。該型號發(fā)電機(jī)的鐵芯為42槽，共三相，接線方式為Y-Y，tp=7，則額定勵磁下需要勵磁電壓Ur=1 210 V。ELCID鐵芯試驗(yàn)實(shí)際每圈導(dǎo)線需加的勵磁為0.04倍額定勵磁，則 Ur’=48.4 V。

該型號發(fā)電機(jī)，外徑為2.95 m，內(nèi)徑為1.48 m，齒高為0.194 m，則鐵芯平均直徑為2.409 m，周長約為7.6 m，最后所需的勵磁電流為23～76 A，極限情況為15.2～114 A。在試驗(yàn)中，使用ELCID專用勵磁電纜，匝數(shù)可以選擇1～6匝，一般選擇6匝，則所需每匝勵磁電流IN=I/N≤19 A，實(shí)際所加勵磁電壓UN=N×Ur’=290.4V，所以，試驗(yàn)前要選擇一臺額定電壓大于290 V，額定電流為19A的調(diào)壓器。實(shí)際試驗(yàn)時一般選擇380V的調(diào)壓器，電流值為19 A，則實(shí)際需要的調(diào)壓器容量為7.22kV·A。本次試驗(yàn)選擇的是380V的15 kV·A的調(diào)壓器，滿足試驗(yàn)要求。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為被測發(fā)電機(jī)定子槽號分布圖.根據(jù)圖5的槽編號逐項(xiàng)進(jìn)行鐵芯檢測，每一槽鐵芯測量后數(shù)據(jù)均保存為一個波形。第4槽和第42槽的測試波形如圖6所示。

圖5 發(fā)電機(jī)定子槽號分布圖（從勵側(cè)看）

圖6中，縱坐標(biāo)為測量的交軸分量，橫坐標(biāo)為距離軸，本次試驗(yàn)中“0”代表汽測處鐵芯，“7”代表勵側(cè)處鐵芯。試驗(yàn)波形中，其交軸分量的絕對值如果超過100 mA，則表示該部分鐵芯存在片間絕緣故障。試驗(yàn)后各槽試驗(yàn)波形中交軸量絕對值最大值數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，本次試驗(yàn)中所有槽的交軸量最大絕對值均小于100 mA，其中最大的交軸量絕對值出現(xiàn)在第42槽，為60 mA；其次為第4槽，交軸量最大為48 mA。

表1 各槽鐵芯交軸量絕對值最大值 mA

從圖6中可以看出，交軸分量絕對值最大值出現(xiàn)在波形末端畫黑圈的部分，為2個毛刺，位于鐵芯勵端端部階梯狀部位。出現(xiàn)毛刺的主要原因是當(dāng)Chattock電位計(jì)在階梯狀鐵芯測試時由一個臺階滑動到下一個臺階時引起的數(shù)據(jù)突變，而且經(jīng)現(xiàn)場多次測量后發(fā)現(xiàn)，此現(xiàn)象不具有重復(fù)性。因此，排除這2個毛刺后，所測試鐵芯所有交軸分量絕對值均小于45 mA，遠(yuǎn)低于100 mA的標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，本次試驗(yàn)的鐵芯片間絕緣狀態(tài)良好，可以投入運(yùn)行。目前該發(fā)電機(jī)已檢修完畢并投入運(yùn)行，運(yùn)行中各鐵芯溫度測點(diǎn)的溫度均正常。

3.3鐵芯試驗(yàn)的條件及注意事項(xiàng)

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子需抽出膛外，定子繞組出線與外部連接母線以及其他設(shè)備斷開，且相互隔離，中性點(diǎn)三相短路接地，試驗(yàn)時不得安排其他接觸到發(fā)電機(jī)鐵芯和繞組的試驗(yàn)；

（2）汽、勵兩側(cè)搭建腳手架，腳手架高度略高于鐵芯中心位置，以便將勵磁電纜綁扎、固定在鐵芯中心部位；

圖6 第4槽和第42槽的交軸分量波形

（3）試驗(yàn)過程時需穿連體服、布鞋，使用橡膠手電筒，鐵芯內(nèi)使用螺絲刀要登記，避免將金屬物件遺留在發(fā)電機(jī)膛內(nèi)；

（4）試驗(yàn)過程中Chattock電位計(jì)移動速度符合ELCID操作要求，且Chattock電位計(jì)盡量避免離開鐵芯。

4結(jié)束語

（1）ELCID鐵芯試驗(yàn)只需提供4%的額定磁通量即可完成對故障鐵芯的診斷，所需的勵磁電源容量較小，容易配備和攜帶；

（2）勵磁繞組使用的是ELCID專用勵磁電纜，電纜本身已將6匝繞組集合在一起，接線時實(shí)際只需要繞一圈，接線簡單；

（3）由于施加的電壓較低，鐵芯磁密較低，試驗(yàn)操作安全方便，且不會使得故障點(diǎn)擴(kuò)大；

（4）ELCID鐵芯試驗(yàn)靈敏度較高，且能夠參考ELCID典型故障波形對鐵芯深處故障點(diǎn)判斷分析。

[1]GB 50150—2006，電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]NAMARA B M，ENG P.A Collection of Case Studies of ELCID Test[C].Presented at Latin America Power 2000，2000.

[3]關(guān)建軍,于慶斌,鐘浩文.發(fā)電機(jī)定子鐵芯ELCID試驗(yàn)分析與探討[J].大電機(jī)技術(shù),2005(5)：13-17.

[4]王勁松,吳宇輝.發(fā)電機(jī)定子鐵芯片間短路故障診斷系統(tǒng)[J].華北電力技術(shù),2004(2)：34-37.