呂 滔

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

水電站發(fā)電機(jī)定子磁化試驗參數(shù)取值分析

呂 滔

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

定子磁化試驗是評價發(fā)電機(jī)定子鐵芯質(zhì)量優(yōu)劣的重要方法。本文介紹了定子磁化試驗的方法和原理，并結(jié)合某工程案例，列舉其試驗方法，試驗數(shù)據(jù)計算和試驗結(jié)果。通過試驗數(shù)據(jù)計算和試驗結(jié)果的差異，指出其計算過程中數(shù)據(jù)處理的不當(dāng)之處。通過分析糾正其造成勵磁電流偏大、試驗磁場強(qiáng)度偏小、鐵芯重量計算不精確等方面的計算誤差。結(jié)合基本公式推導(dǎo)給出更優(yōu)的試驗數(shù)據(jù)計算方法和建議。并根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗，提出了一種較準(zhǔn)確測定鐵芯重量的實(shí)際應(yīng)用方法。

發(fā)電機(jī)；定子鐵芯；硅鋼片；磁化試驗；鐵芯損耗

0 引言

發(fā)電機(jī)定子質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)電機(jī)的效率、功率因素以及電機(jī)的安全運(yùn)行。發(fā)電機(jī)定子鐵芯質(zhì)量主要是通過磁化試驗進(jìn)行評價判定的。因此，選擇正確的試驗方法和試驗參數(shù)有利于準(zhǔn)確評價發(fā)電機(jī)定子鐵芯的制造質(zhì)量。目前，評價發(fā)電機(jī)定子鐵芯質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)是定子鐵芯的單位鐵芯損耗和鐵芯溫升。通過查閱大量工程案例和相關(guān)資料，筆者發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)場試驗方法和試驗參數(shù)的取值存在不適之處。本文結(jié)合典型案例進(jìn)行分析，指出試驗中的不妥之處，提出筆者的建議和看法，并提出一種比較準(zhǔn)確計算鐵芯質(zhì)量的方法。

1 鐵芯磁化試驗

發(fā)電機(jī)定子鐵芯一般由矽鋼片疊壓安裝制作而成。鐵芯沖片通常采用含碳量極低的硅鐵軟磁合金。鐵芯沖片在交變磁場下磁化時所消耗的電能，稱為鐵芯損耗。鐵芯損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚鸲ㄗ予F芯的溫度升高，造成電量損失?，F(xiàn)場試驗方法采用的是愛潑斯坦方圈測試方法[1]?；驹硪罁?jù)的是電磁感應(yīng)定律。

感應(yīng)電動勢有效值為：

式中： W——線圈匝數(shù)；

f——交變電流頻率；

Φ——交變磁通量；

B——電磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）；

S——交變磁通截面積。

2 現(xiàn)場試驗

本文以某電站的定子鐵損試驗為例。該電站總裝機(jī)容量500MW，單機(jī)容量125MW。機(jī)組型號為SF-J125-88/15070，額定容量142.9MVA，額定功率125MW，額定電壓15.75kV，額定電流5238A，功率因素0.875（滯后）。發(fā)電機(jī)定子鐵芯采用現(xiàn)場安裝，定子機(jī)座現(xiàn)場焊接，鐵芯沖片經(jīng)疊裝壓緊后進(jìn)行鐵芯損耗試驗。

鐵芯磁化試驗采用在發(fā)電機(jī)定子鐵芯上纏繞勵磁繞組。勵磁繞組內(nèi)通入工頻交流電流，在定子鐵芯回路中產(chǎn)生符合試驗要求的電磁場強(qiáng)度。同時，通過纏繞在定子鐵芯上的二次測量繞組讀取二次回路中測量電壓、一次回路電流、有功功率等試驗參數(shù)計算定子鐵芯單位重量的損耗。定子鐵芯通風(fēng)槽、定子機(jī)座等部位埋設(shè)熱電偶測量記錄定子各部位的溫度及溫升，有條件時還可采用紅外線測溫儀、熱成像儀等設(shè)備查找定子鐵芯局部過熱點(diǎn)。定子鐵芯截面圖如圖1所示，現(xiàn)場試驗布置如圖2所示。

圖1 定子鐵芯截面圖

圖2 現(xiàn)場試驗布置圖

2.1 基本參數(shù)

（1）設(shè)計考核指標(biāo)。

定子鐵芯最高溫升：≤25K

定子鐵芯最大溫差：≤15K

單位鐵芯損耗：≤1.43W/kg

（2）定子鐵芯基本參數(shù)。

定子鐵芯疊壓系數(shù)K：0.93

定子鐵芯外徑d2：15070mm

定子鐵芯內(nèi)徑d1：14420mm

定子鐵芯磁軛高度h：1300mm

定子鐵芯槽深h1：134.5mm

定子徑向通風(fēng)道寬度b：4mm

定子徑向通風(fēng)道數(shù)量n：33

鐵芯比重ρ=7.8×103kg/m3

2.2 試驗計算

（1）現(xiàn)場給定參數(shù)。

勵磁電壓U1=400V

磁場強(qiáng)度B1=1T（理論計算值）

勵磁電流頻率f1=50Hz（理論計算值）

安匝系數(shù)aw=1.9×102安匝/米

測量繞組匝數(shù)M2=2

（2）試驗計算參數(shù)（結(jié)果保留兩位小數(shù)）[2]。

定子鐵芯磁軛寬度：

h0=（d2-d1）/2-h1=190.5（mm）

定子鐵芯有效高度：

L=K×（h-b×n）=1086.24（mm）

定子鐵芯磁軛平均直徑：

dav=d2-h0=14879.50（mm）

定子鐵芯磁軛截面積：

S=h0×L=206928.72（mm2）

勵磁繞組匝數(shù)：

M1=U1/（4.44B1×f1×S）=8.71（匝）

試驗繞組匝數(shù)取8匝。

勵磁繞組電流：

I1=（π×dav×aw）/M1=1109.64（A）

測量繞組電壓：

U2=4.44M2×B1×f1×S=91.88（V）

表1 鐵芯損耗試驗現(xiàn)場記錄表（保留三位小數(shù)）

鐵芯重量：

m=ρ×π×dav×S=75410.77（kg）

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理分析

試驗過程中，試驗應(yīng)實(shí)測記錄如下數(shù)據(jù)：實(shí)際勵磁電壓U1、實(shí)際勵磁電壓頻率?、實(shí)際勵磁繞組電流I、測量繞組電壓U2、實(shí)際鐵芯損耗P、各部位溫度t、噪聲等數(shù)據(jù)。

試驗時實(shí)際的磁場強(qiáng)度：

定子鐵芯標(biāo)準(zhǔn)損耗P1（W/kg）為：

不考慮頻率影響，損耗系數(shù)k取1。簡化計算公式得：P1=P/B2。

該簡化計算的鐵損誤差在0.2%～8.7%，平均誤差3.94%。[3]

試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場記錄見表1。

現(xiàn)場試驗記錄表試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本次試驗鐵芯損耗超標(biāo)不合格。

3 鐵芯損耗計算的探討

本案例中，我們可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理存在以下幾個問題：

（1）勵磁電流計算值I1與實(shí)際勵磁電流值I相差較大。

（2）實(shí)際磁場強(qiáng)度B偏小。

（3）鐵芯損耗指標(biāo)超標(biāo)，如何判斷評價定子鐵芯質(zhì)量。

3.1 勵磁電流計算值偏大原因分析

本文認(rèn)為計算公式本身是正確的。產(chǎn)生的差異主要是安匝系數(shù)的取值范圍造成的。通過查閱相關(guān)資料和實(shí)際案例發(fā)現(xiàn)，一些工程案例中勵磁電流計算時，安匝系數(shù)的取值范圍為2.15×102～2.30×102安匝/米[4]。隨著現(xiàn)在制造工藝的提高，實(shí)際生產(chǎn)使用的硅鋼片磁導(dǎo)率μ通常為7000μ～10000μ0，μ0=4π×10-7N/A2。

由安匝系數(shù)的計算公式：

可得，安匝系數(shù)的取值范圍為0.80×102～1.14×102安匝/米。

因此，試驗前應(yīng)取得定子鐵芯材質(zhì)的型號或由廠家提供勵磁磁化曲線取值表。結(jié)合工程實(shí)際情況取得一個合適的安匝系數(shù)值較為合理。本文根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗，建議安匝系數(shù)取值范圍為1.7×102～ 1.9×102安匝 /米[5]。

3.2 磁場強(qiáng)度實(shí)際值偏小原因分析

本案例在計算時勵磁繞組匝數(shù)時，未考慮電源電壓壓降的影響。鐵芯損耗試驗時，電源負(fù)載是重負(fù)荷，會引起較大的電壓壓降。勵磁電壓的降低直接影響鐵芯的磁場強(qiáng)度。因此，在計算時應(yīng)考慮電壓降的影響。為保證試驗時的磁場強(qiáng)度，工程中可采用勵磁電壓計算值取80%UN～90%UN，UN為電源電壓額定值。由于鐵芯損耗會使勵磁電壓產(chǎn)生諧波分量[6]，試驗為了保證測量電壓波形和較準(zhǔn)確的功率損耗數(shù)據(jù)。因此，建議試驗電壓宜采用10kV電壓且勵磁電源側(cè)為三角形接線。

3.3 鐵芯損耗合理性分析

本案例的試驗數(shù)據(jù)表明，該定子鐵芯損耗超標(biāo)不合格。該定子鐵芯鐵耗[7]超標(biāo)11.61%，其他指標(biāo)均符合要求。從鐵芯重量計算公式可以看出，該公式計算的鐵芯重量未計算定子鐵芯齒部的重量。較實(shí)際尺寸的鐵芯重量偏小。因此，為了準(zhǔn)確評價鐵芯損耗，建議采用以下方法計算鐵芯重量。

由于現(xiàn)場到貨的鐵芯沖片都是規(guī)格相同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。因此，可以測量n片鐵芯沖片重量計算得出單片鐵芯沖片平均重量G0。測量n片鐵芯沖片外圓弧周長計算得出單片鐵芯沖片平均外圓弧周長l0。測量n片鐵芯沖片厚度計算得出該規(guī)格產(chǎn)品單片鐵芯沖片平均厚度b0。選測定子鐵芯XY正負(fù)軸方向（順時針俯視）等n點(diǎn)計算定子鐵芯平均高度 h0。

鐵芯外圓周長為：

l=π×d2

鐵芯重量為：

式中：d2——定子鐵芯外徑；

K——定子鐵芯疊壓系數(shù)。該計算方法可以得到相對準(zhǔn)確的定子鐵芯重量。從而準(zhǔn)確地得到鐵芯損耗值，進(jìn)而進(jìn)行綜合判斷定子鐵芯是否合格。

4 結(jié)束語

鐵芯損耗試驗是評價定子鐵芯質(zhì)量的主要方法。選擇合理的試驗參數(shù)，正確處理和分析試驗數(shù)據(jù)，是正確判斷評價定子鐵芯質(zhì)量優(yōu)劣的基礎(chǔ)。筆者發(fā)現(xiàn)一些工程試驗在數(shù)據(jù)處理和計算時缺乏深入探究，導(dǎo)致工程實(shí)際中造成了不必要的試驗材料浪費(fèi)和不正確的質(zhì)量評價。本文查閱大量工程案例，并結(jié)合實(shí)例提出了筆者的建議和看法，希望對工程試驗人員在實(shí)際工程應(yīng)用中能形成借鑒和參考。

[1] 蘇英倆．基于STM32的電工鋼片鐵損測試儀的研究和開發(fā) [D]．浙江工業(yè)大學(xué)，2010：7-8．

[2] 李建明，朱康．高壓電氣設(shè)備試驗方法[M]．北京：中國電力出版社，2001：494-496．

[3] 莫會成，閔琳，于志剛，等．電機(jī)用硅鋼片鐵耗研究[J]．微電機(jī)，2008，41（11）：5-7．

[4] 程昱．水輪發(fā)電機(jī)定子鐵損試驗[J]．西北水電，2011，（2）：63．

[5] 楊海龍，胡鑫凡．大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵損現(xiàn)場試驗方法[J]．電工技術(shù)，2014（7）：44．

[6] 王正茂，閻治安 崔新藝 蘇少平．電機(jī)學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2000：34

[7] 李友松．定子鐵損試驗不合格的原因分析及處理[J]．廣西電力，2007（5）：23．

呂 滔（1984—），男，工程師，主要從事水電廠機(jī)組調(diào)試工作。E-mail：tao1-lv．jszx@sgxy．sgcc．com．cn

The parameter selection of hydropower generator stator magnetic test analysis

LV Tao
（The State Grid Xin Yuan holdings technology Co. Ltd.， Beijing 100161，China）

The stator magnetic test is an important method to evaluate the quality of generator stator core. This article introduces the method and principle of the stator magnetic test.Combined with an engineering case， the writer enumerate its test methods， test data calculation and test results. Through the comparison for calculate and results， points out that the wrong in the process of data processing. Correct the error of that in the excitation current and the magnetic field intensity and the weight of iron core. Combination with the basic formula gives a better calculation method of the test data and the suggestion.And according to the actual engineering experience， this paper proposes a more practical method for determination of iron core weight accurately.

Generator; Stator core; Silicon steel sheet;Magnetized test; Iron loss