鐘珍華 鐘必勝

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 長(zhǎng)沙市 410007）

沐若水電站地處馬來(lái)西亞的婆羅洲島沙撈越州，壩址位于拉讓?zhuān)≧ajang）河流域源頭沐若河上。裝有4 臺(tái)236 MW 水輪發(fā)電機(jī)，均由哈爾濱電機(jī)股份有限公司制造。鐵損試驗(yàn)在定子組裝疊片完畢，定子下線開(kāi)始之前進(jìn)行，其中硅鋼片型號(hào)為50W250。

1 鐵損試驗(yàn)概述

鐵損是發(fā)電機(jī)能量損失之一，其原因是由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)鐵心內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流經(jīng)過(guò)鐵心，使鐵心內(nèi)部產(chǎn)生熱能，這種熱能是消耗能量的，故稱(chēng)為鐵損。鐵損不僅影響發(fā)電機(jī)效率，而且可能因鐵心內(nèi)部短路，產(chǎn)生局部過(guò)熱，加速鐵心絕緣和定子線圈絕緣的老化，嚴(yán)重時(shí)可能造成鐵心燒損和線圈擊穿事故。鐵損試驗(yàn)是檢查定子鐵心裝配質(zhì)量和絕緣情況的有效方法。

定子鐵損試驗(yàn)需要專(zhuān)門(mén)的勵(lì)磁電纜纏繞在定子鐵心上，使鐵心內(nèi)部形成接近飽和狀態(tài)的磁場(chǎng)，這樣鐵心中絕緣劣化部分將產(chǎn)生較大的渦流，溫度很快升高，利用酒精溫度計(jì)和紅外線測(cè)溫儀測(cè)出各部位溫度。鐵心中松動(dòng)部位將產(chǎn)生較大的磁噪聲。利用電氣儀表測(cè)出勵(lì)磁功率損耗，計(jì)算出鐵心單位重量所損耗的功率，與標(biāo)準(zhǔn)允許值相比較，即可判斷定子鐵心的疊裝質(zhì)量。為便于對(duì)各次測(cè)量結(jié)果的比較，通常盡可能采用1 T 的磁通密度和50 Hz 的電源。

2 試驗(yàn)電源選擇

鐵損試驗(yàn)所需勵(lì)磁電源為A、C 兩相，對(duì)于提供電源者而言，則為三相不平衡負(fù)載，其中不平衡電流將會(huì)很大。以往試驗(yàn)電源都是直接取自電網(wǎng)經(jīng)施工變而來(lái)，鐵損試驗(yàn)所產(chǎn)生的不平衡電流對(duì)于電網(wǎng)影響不大。

沫若電站由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，主廠房無(wú)法直接取得電網(wǎng)電源，需柴油發(fā)電機(jī)供電，而鐵損試驗(yàn)為三相不平衡負(fù)荷，柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷不平衡的這種運(yùn)行工況屬于不正常運(yùn)行工況，根據(jù)相關(guān)資料的分析結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)設(shè)備廠家意見(jiàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷應(yīng)控制在額定負(fù)荷的20%以?xún)?nèi)。施工現(xiàn)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)單機(jī)最大功率為1 200 kW，所以需要并機(jī)運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，鐵損試驗(yàn)電源由1臺(tái)1 200 kW、1 臺(tái)1 000 kW、2 臺(tái)800 kW 共4 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，作為低壓側(cè)400 V 電源，總功率為3 800 kW，總?cè)萘繛? 750 kVA。經(jīng)S9-1600/11 升壓變壓器，送至現(xiàn)場(chǎng)12 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜。每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)均有TGCM 綜合控制模塊，此模塊含有發(fā)電機(jī)監(jiān)控、保護(hù)、并機(jī)等程序，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并機(jī)和實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行。在每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)出口零線用2 根240 mm2銅心電纜單獨(dú)接地，作為不平衡電流泄漏點(diǎn)，且與柴油發(fā)電機(jī)接地點(diǎn)區(qū)分開(kāi)。

3 參數(shù)計(jì)算

發(fā)電機(jī)定子鐵芯斷面如圖1。

圖1 定子鐵芯斷面圖

3.1 定子鐵芯基本參數(shù)

鐵芯內(nèi)徑d1=6 480 mm；鐵芯外徑d2=7 500 mm；鐵芯高h(yuǎn)=2 730 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)溝數(shù)量n=64；硅鋼片安匝數(shù)，取H0=1.8 安匝/cm（制造廠提供的數(shù)據(jù)）；槽深h1=160.3 mm。

3.2 參數(shù)計(jì)算

（1）鐵芯有效長(zhǎng)度L=k×（h-n×b）=225.216 cm。

（2）鐵芯軛部高度ha=（d2-d1）/2-h1=34.97 cm。

（3）鐵芯截面積S=L×ha=7875.8035 cm2。

（4）勵(lì)磁線圈匝數(shù)W1=U1/（4.44f×S×B）×108=66.06（B=1.0×104Gs）

匝數(shù)取64 匝。

（5）勵(lì)磁繞組電流I=π（d2-ha）H0/W1=63.178 A。

（6）電源容量P=U1I=729.706 kVA。

本次試驗(yàn)電源為柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，總?cè)萘繛? 750 kVA，滿(mǎn)足容量要求。

若測(cè)量線圈取W2=1 匝，則測(cè)量電壓U2=U1W2/W1=180.47 V。

勵(lì)磁線圈導(dǎo)線的選擇：按每3.5 A/mm2計(jì)算，所需勵(lì)磁電纜芯線截面積為63.178/3.5=18.05 mm2，選用1 根35 mm2的11 kV 電纜，分4個(gè)區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)纏繞，每個(gè)區(qū)域纏繞16 圈，總長(zhǎng)度為700 m。

（7）鐵芯軛部重量：

4 試驗(yàn)設(shè)備和布置

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)附表。

附表 定子鐵損試驗(yàn)設(shè)備配置表

4.2 試驗(yàn)布置

（1）在測(cè)量區(qū)域設(shè)置兩張桌子，放置測(cè)量?jī)x表，測(cè)量?jī)x表按圖2 接線。

（2）勵(lì)磁電源布置：鐵損試驗(yàn)在安裝間進(jìn)行，勵(lì)磁電源進(jìn)線高壓開(kāi)關(guān)柜布置在安裝間，電源從柴油發(fā)電機(jī)廠房經(jīng)施工變升至11.55 kV 取得。

（3）勵(lì)磁線圈布置：如果鐵損試驗(yàn)的勵(lì)磁線圈按集中布置，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的漏磁現(xiàn)象，使得電機(jī)圓周上的磁通分布極不均勻，因?yàn)殍F心溫升大致與磁密的平方（B2）成正比，給測(cè)試與判斷帶來(lái)很大的困難，故按圖2 在定子鐵心上按相同方向纏繞勵(lì)磁線圈，分4個(gè)區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)纏繞，每個(gè)區(qū)域纏繞16 圈，共64 圈，總長(zhǎng)度為700 m。

圖2 鐵心磁化試驗(yàn)接線原理圖

（4）溫度測(cè)量計(jì)的布置：鐵心上按+X、-X、+Y、-Y 四個(gè)方向的上、中、下部各安裝一個(gè)酒精溫度計(jì)，總共12個(gè)；在+X、-X 方向的上下壓板上，也各安裝1個(gè)酒精溫度計(jì)，共4個(gè)；定子機(jī)座按對(duì)應(yīng)上下壓板安裝酒精溫度計(jì)的位置上，在其中下部位置安裝2個(gè)酒精溫度計(jì)；另用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀隨時(shí)監(jiān)測(cè)各位置溫度，重點(diǎn)監(jiān)視各過(guò)熱區(qū)域的溫度。

（5）測(cè)量線圈的布置：為了檢查鐵心磁場(chǎng)是否均勻，在鐵心180°方向布置兩組測(cè)量線圈，測(cè)量線圈用2.5 mm2的導(dǎo)線，按圖2 纏繞，各繞1 匝，分別引至U21與U22。測(cè)量繞組應(yīng)包繞定子有效鐵心，但不應(yīng)包繞定子整個(gè)機(jī)座。

5 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)有關(guān)人員全部就位。

（2）檢查試驗(yàn)接線的正確性，檢查勵(lì)磁電纜、測(cè)量電線的絕緣，絕緣值應(yīng)大于5 MΩ。

（3）試驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)閉有可能照射到定子鐵心上的所有照明。

（4）預(yù)合試驗(yàn)用斷路器給鐵心勵(lì)磁，觀察鐵心及測(cè)量表計(jì)有無(wú)異常，然后分?jǐn)鄶嗦菲鳌?/p>

（5）各部位正常以后，記錄好各表計(jì)的初始值，合試驗(yàn)用斷路器，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；每隔10 min 記錄一次電源電壓、電流、功率、感應(yīng)電壓及各點(diǎn)溫度，試驗(yàn)共計(jì)90 min。用紅外測(cè)溫儀隨時(shí)監(jiān)測(cè)各部位溫度，找出高溫區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)過(guò)程中溫度控制：

①定子鐵芯各部位的最高溫升不超過(guò)25℃；

②定子鐵芯各部位的溫差不超過(guò)15℃；

③上下壓板溫差不超過(guò)10℃；

④鐵芯和機(jī)座溫差不超過(guò)15℃。

（6）如局部發(fā)熱較嚴(yán)重，應(yīng)查明原因。

6 安全措施及注意事項(xiàng)

（1）試驗(yàn)前在柴油發(fā)電機(jī)房安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)并聯(lián)4 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，并密切監(jiān)視柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，一旦出現(xiàn)異常狀況，立即停止試驗(yàn)，切斷電源。

（2）勵(lì)磁繞組必須絕緣良好，并事先做好勵(lì)磁電纜泄漏試驗(yàn)，導(dǎo)線不觸及鐵心，在鐵心和機(jī)座棱角處用5 mm 的絕緣橡皮包繞勵(lì)磁電纜并用扎帶固定在電纜上。

（3）用70 mm2的銅扁鐵將定子機(jī)座可靠接地。

（4）試驗(yàn)中檢查、檢測(cè)定子鐵心溫度時(shí)，不得用雙手同時(shí)直接觸摸鐵心，以防觸電。且需仔細(xì)眼觀耳聽(tīng)，注意發(fā)現(xiàn)鐵心松動(dòng)現(xiàn)象，記錄噪音儀數(shù)據(jù)。膛內(nèi)不得存放金屬物。

7 試驗(yàn)結(jié)果分析

7.1 結(jié)果分析有關(guān)公式

（1）實(shí)際高斯值B1=U21/4.44×f×（W2×S）

式中 U21——實(shí)際測(cè)得電壓值；

F——實(shí)際頻率；

W2——測(cè)量線圈匝數(shù)；

S——面積。

（2）換算至10 000 高斯時(shí)的單位鐵損 P0=W/G×（10000/B1）2

式中 W——實(shí)際測(cè)量得到的總鐵損；

G——鐵芯重；

B1——計(jì)算出的實(shí)際磁通密度。

7.2 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

（1）試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際磁通密度B1。

其中實(shí)際頻率f 為49.10 Hz，U21為166.5 V。

（2）折算到1 T 時(shí)的單位鐵損△PFe。

△PFe=W/G×（10000/B1）2=1.339 3 W/kg

W 為實(shí)際測(cè)量得到的總鐵損，G 為鐵心重，B1為計(jì)算出的實(shí)際磁通密度。

（3）最高鐵心溫升。

△t=（t1-t0）/（10000/B1）2=5.3 K，式中t1 為鐵心最高溫度，t0 為鐵心初始溫度。

（4）最高鐵心溫差。

△θ=（t2-t3）/（10 000/B1）2=3.18 K，式中t2、t3 為鐵心最高、最低溫度。

（5）最高齒壓板溫差。

△θ1=（t4-t5）/（10 000/B1）2=2.12 K，式中t4、t5為上下齒壓板最高、最低溫度。

（6）最高鐵心與機(jī)座溫差。

△θ2=（t6-t7）/（10 000/B1）2=3.71 K，式中t6、t7為鐵心與機(jī)座最高、最低溫度。

7.3 試驗(yàn)結(jié)果判斷

據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果可知：△t＜25 K，△θ＜15 K，△PFe＜1.3858 W/kg，△θ1＜10 K，△θ2＜15 K。在整個(gè)試驗(yàn)中，用紅外測(cè)溫儀對(duì)鐵心各部位進(jìn)行觀察，無(wú)局部過(guò)熱現(xiàn)象，鐵心磁震動(dòng)聲音正常。且柴油發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源帶不平衡負(fù)載工作正常。

由以上試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可知：馬來(lái)西亞沫若水電站4#機(jī)組定子鐵心質(zhì)量合格。

8 小 結(jié)

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，本項(xiàng)目中所采用的試驗(yàn)工藝和電源方案是正確的，柴油發(fā)電機(jī)作為電源進(jìn)行定子鐵損試驗(yàn)是可行和可靠的。試驗(yàn)過(guò)程中柴油發(fā)電機(jī)電源相關(guān)措施和應(yīng)注意事項(xiàng)總結(jié)如下：

（1）由于鐵損試驗(yàn)合閘瞬間就會(huì)有730 kVA左右的不平衡負(fù)荷沖擊柴油發(fā)電機(jī)，而柴油發(fā)電機(jī)并無(wú)零序或負(fù)序過(guò)流保護(hù)。鐵損試驗(yàn)電源受電時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出口斷路器過(guò)流保護(hù)定值為1.3 倍，先并列4 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，以額定轉(zhuǎn)速空載（功率因素為0.8）運(yùn)行后，再合高壓開(kāi)關(guān)，帶負(fù)載勵(lì)磁運(yùn)行。

（2）試驗(yàn)電源應(yīng)注意的問(wèn)題：試驗(yàn)前先進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)測(cè)試；并列運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)在合閘瞬間，由于不平衡大負(fù)荷沖擊，轉(zhuǎn)速可能發(fā)生變化，柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行；并列運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷三相不平衡，其出力應(yīng)能夠按柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載能力分布，不至于使過(guò)多的不平衡電流涌向某一臺(tái)機(jī)組，破壞柴油發(fā)電機(jī)；柴油發(fā)電機(jī)帶不平衡負(fù)荷并列運(yùn)行應(yīng)能滿(mǎn)足試驗(yàn)時(shí)間的要求，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不應(yīng)因此被中斷。