李華+陳泓宇

摘 要：大型抽水蓄能發(fā)電電動機的定子鐵芯在現(xiàn)場組裝完成后，為檢查定子鐵芯制造和現(xiàn)場安裝的整體質量，必須對定子鐵芯進行磁化試驗。本文結合清遠抽水蓄能電站#1機定子鐵芯磁化試驗，介紹了磁化試驗目的、試驗原理、試驗方法、試驗結果。并對影響試驗的結果的因素進行了分析，供同類抽水蓄能電站定子鐵芯磁化試驗參考。

關鍵詞：清遠抽水蓄能電站；定子鐵芯；磁化試驗；溫升；溫差；單位鐵損值

1 概述

清遠抽水蓄能電站（以下簡稱清蓄能電站）地下廠房內共安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機機組，單機容量（發(fā)電工況）320MW，總裝機容量1280MW。

發(fā)電電動機定子由機座、鐵芯和線圈等部件組成，在安裝間完成組裝后通過廠房橋機吊入發(fā)電機機坑安裝。鐵芯采用35A250低損耗、高導磁率、非晶粒取向、無時效、機械性能優(yōu)質的冷軋硅鋼片。沖片雙面涂有F級絕緣漆（厚約5～7μm）。鐵芯上下端采用非磁性齒壓板結構，上下兩端各疊成3個8×4.9的臺階，定子鐵芯沿軸向分布共78層5mm高的丄字型截面無磁性不銹鋼通風溝，鐵芯用雙鴿尾筋與定子機座聯(lián)接，并通過上下齒壓板壓緊緊固。

2 磁化試驗

2.1 磁化試驗目的

大容量抽水蓄能發(fā)電機組由于運輸尺寸、重量等方面的因素限制，發(fā)電電動機定子機座通常采用分瓣制造運輸，在安裝現(xiàn)場進行組裝焊接、沖片疊壓、定子下線等工作。鐵芯磁化試驗是在定子鐵芯疊片壓緊完成后進行，其目的就是確認定子鐵芯硅鋼片設計制造、現(xiàn)場疊片、壓緊情況和單位功率損耗等整體質量，檢查鐵片間是否有短路情況，絕緣是否良好。發(fā)電機定子鐵芯在硅鋼片的制造或現(xiàn)場疊裝過程中，可能存在片間絕緣損壞，從而造成片間短路或多片間形成回路。為了防止機組運行中因片間短路引起局部過熱，甚至威脅到機組的安全運行，在現(xiàn)場定子鐵芯組裝完成后，必須進行鐵芯磁化試驗。同時，根據(jù)定子鐵芯的組裝工藝，鐵芯磁化試驗還能通過振動和發(fā)熱使鐵芯下沉，達到僅由加壓所不能達到的進一步壓緊鐵芯的目的。

2.2 試驗原理及基本方法

在發(fā)電電動機定子鐵芯上纏繞勵磁繞組，繞組中通入一定的工頻電流，使之在鐵芯內部產生接近飽和狀態(tài)的交變磁通，通常取激磁磁感應強度為1-1.2T，鐵芯在交變磁通中產生渦流和磁滯損耗，使鐵芯發(fā)熱，溫度很快升高。同時，使那些鐵芯中片間絕緣受損或劣化部分產生較大的局部渦流，溫度急劇上升，從而找出過熱點及過熱面。試驗中用酒精溫度計測量定子鐵芯、上下齒壓板及定子機座的溫度，計算出溫升和溫差；用紅外線測溫槍、紅外線攝像儀查找定子鐵芯局部過熱點及過熱面；在鐵芯上纏繞測量繞組，測量其感應電壓，計算出鐵芯中不同時刻的磁感應強度，并根據(jù)發(fā)電機固有參數(shù)，結合測得的勵磁電流、電壓計算出鐵芯的有功損耗。把測量、計算結果與設計要求相比較，來判斷定子鐵芯的制造、安裝整體質量。

2.3 發(fā)電電動機參數(shù)

型號：SFD320/331-14/6570；額定容量：356MVA；功率因數(shù)：0.9滯后（發(fā)電機工況）；額定電壓：15.75kV；額定電流：13050A；額定轉速：428.6r/min；定子鐵芯槽數(shù)：336槽；定子鐵芯外徑：D外=657cm；定子鐵芯內徑：D內=530cm；定子鐵芯長度：L=332cm；定子鐵芯槽深：h=17.9cm；鐵芯通風溝層數(shù)：n=78；鐵芯通風溝高度：b=5mm；定子沖片厚度：0.35mm；定子沖片標準損耗：≤1.0（W/kg）（1特斯拉時）；鐵芯比重ρ：7.6t/m3。

2.4 試驗準備計算

（1）勵磁線圈安匝數(shù)計算Aω

Aω=π（D外-ha）·H=3342（安匝）

式中：D外-鐵芯外徑（cm）=657cm；ha-軛部寬度（cm）；H-單位長度安匝數(shù)，磁通在1特斯拉時，取值為1.74（安匝/厘米）。ha=（D外-D內）/2-h；D內-鐵芯內徑（cm）；h-定子鐵芯槽深（cm）；ha=（D外-D內）/2-h=45.6 （cm）。

（2）計算勵磁繞組匝數(shù)ω1

K-定子鐵芯疊壓系數(shù)，片間用絕緣漆和壓緊計算，取0.98。

軛部的有效截面積S=K·（L-n·b）·ha≈13093.584（cm2）；ω1-勵磁繞組匝數(shù)；б-考慮漏磁及線路壓降后的系數(shù)取1.1；U1-勵磁電源電壓，選10000（V）；試驗時鐵芯扼部磁通密度B=1T，頻率f=50（Hz）；勵磁繞組匝數(shù)ω1=U1/（e·б）=10000/（4.44fBS·б）≈32（匝）。

（3）計算勵磁繞組電流I1和勵磁繞組電纜截面積SL（全電流）

I1=Aω/ω1=3342.175/32≈122.8（A）；流量系數(shù)β取3.0A/mm2；勵磁電纜截面積SL=I1/β=122.8÷3.0≈41mm2；考慮到安全裕量及纏繞難度，勵磁電纜采用10kV單芯70mm2無屏蔽交聯(lián)電力電纜。

（4）需要的視在功率

S視=U1I/1000=1228（kVA）；三相供電系統(tǒng)容量應為×1228≈2126.9（kVA）。

（5）磁通密度測量

當定子軛部磁通密度為B=1T時，單匝測量線圈之感應電勢為E2=4.44BSfω2≈290.7V；采用單匝測量線圈，400V電壓表測量。

（6）實際磁通密度：B=U2/（4.44Sfω2）（T）；U2-測量線圈端電壓（伏）；ω2-測量線圈匝數(shù)（匝）；S-有效鐵芯軛部的截面積（m2）。

2.5 試驗參數(shù)計算

試驗結束后，將試驗數(shù)據(jù)換算到1T時，溫升、溫差和單位鐵損是否合格，進而判斷定子鐵芯的制造、安裝整體質量。

（1）試驗時磁通密度的實際值

B'=U2/4.44f'SW2（單位：T）

U2-測量線圈感應電壓值（伏） W2-測量線圈匝數(shù)（匝） f'-實測頻率

B'-試驗時磁通密度（T）

（2）鐵芯重量

G=πDavS×ρ×103=191138.6（kg）

Dav-鐵芯平均直徑（單位：米）

（3）1T時定子有效鐵芯單位鐵損

ΔP=（Pfe/G）×（1/B'）2（W/kg）

Pfe-實測總損耗（單位W）；按照國家標準，實測單位鐵損應不大于1.3W/kg。

（4）鐵芯最高溫升

Δt1=（t3-t0）×（1/B'）2 （℃）

t3-最高鐵芯溫度，t0-鐵芯起始溫度；按標準規(guī)定，Δt1不得大于25℃。

（5）鐵芯最高溫差

Δt2=（t1-t2）×（1/B'）2 （℃）

t1-90分鐘時最高鐵芯溫度，t2-90分鐘時最低鐵芯溫度；按標準規(guī)定， Δt2不得大于15℃。

3 磁化試驗過程

3.1 準備工作

定子磁化試驗在定子防塵棚內進行，試驗前，對定子各部位進行徹底的清掃，全面檢查機座和鐵芯，檢查通風溝、上下端部位置、各環(huán)板間無殘留金屬物件和其它雜物，定子槽內不得有定位棒、通槽棒等工具遺留。將定子機座與基礎支墩再次緊固，并用不小于185mm2銅心接地線使定子機座可靠接地。同時，鐵芯測溫RTD也必須短接接地。

檢查10kV開關柜斷路器操作回路，校驗開關柜保護裝置動作正確，保護裝置整定值及延時時間應小于上級10kV饋線柜保護整定值，10kV電源電纜和勵磁電纜在使用前需做耐壓試驗，檢查勵磁線圈電纜絕緣電阻不小于100MΩ、測量繞組電纜絕緣電阻不小于10MΩ。

為降低由于磁密不均所引起的誤差，勵磁線圈采用1個支路均勻纏繞分布，選用70mm2銅心交聯(lián)電力電纜，勵磁線圈緊貼在鐵芯齒表面（不入槽），纏繞勵磁線圈32匝。測量線圈一匝，用2.5mm2的多心銅線纏繞在鐵芯適當位置緊貼在槽底，鐵芯棱角處墊約12mm厚的膠皮或木方保護。測溫點按上（第2層）、中（第38層、）、下（第78層）3層（共計72個測溫點）及上下齒壓板測溫點均勻布置在定子鐵芯上，（如圖1所示），緊貼鐵芯，用紅外測溫儀進行測溫。輔之以紅外線成像儀巡測鐵芯四周各個部位溫度，但不作記錄。

對10kV電源電纜和勵磁軟電纜做交流耐壓試驗。

3.2試驗接線圖

試驗儀器及試驗接線見圖2。

V1、V2-電壓表；f-頻率表；CT-電流互感器；W-低功率瓦特表；A-電流表；K-斷路器；W1-勵磁線圈；W2-測量線圈；PT-電壓互感器

3.3 試驗過程

（1）檢查完成后，在確認主回路斷開（安裝間供電開關柜）的情況下，作分合閘操作試驗，分合閘應正確可靠。

（2）試驗總指揮發(fā)令，試驗人員就位，記錄各測溫點原始溫度。注意：首次通電后根據(jù)讀數(shù)校核磁化時磁通密度要大于1T，如偏差過大要調整勵磁線圈匝數(shù)。

（3）合上斷路器1～2min后斷開，全面檢查鐵芯各部位有否過熱現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)冒煙、局部過熱、發(fā)紅、冒火花（定子棚內關燈檢查），應立即跳閘停止試驗，查明原因；若各部分無異常，即正式開始試驗（對個別溫度較高處加設測溫點）用紅外線測溫儀測量各標識點的溫度并記錄；并用紅外線測溫儀循環(huán)掃描定子鐵芯，隨時監(jiān)測各部位溫度，用紅外線攝像儀定時錄制熱成相照片，找出高溫區(qū)進行重點監(jiān)測。

（4）每隔15min記錄一次鐵芯各部分溫度及表計讀數(shù)，如發(fā)現(xiàn)局部溫度過高，應報告試驗指揮人，并重點監(jiān)視其溫度。

（5）整個磁化試驗歷時90分鐘。

3.4 安全注意事項

在安裝間的試驗區(qū)域設立警戒線，警戒線范圍內的試驗區(qū)域全封閉管理，控制進入#1機定子試驗區(qū)域的人數(shù)。在#1機定子棚四周、試驗區(qū)域上空通風洞口、安裝間設置足夠數(shù)量且符合使用要求的干粉滅火器。試驗前，將廠房橋機移出試驗區(qū)域。

4 試驗記錄及結果分析

4.1 試驗記錄（見表1）

4.2 結果分析

計算勵磁電流為122.8A，試驗最小勵磁電流為130A，為計算值的1.05倍；最大勵磁電流為131.69A，為計算值的1.07倍，在正常范圍內；試驗前空載電壓為10000V，試驗中最高勵磁電壓為10110V，最低勵磁電壓為9990V；試驗中最大磁通密度為1.08T，最小磁通密度為1.07T，滿足廠家鐵損試驗技術要求；鐵芯初始平均溫度22℃，鐵芯90min時最低溫度22℃，機座90min時最低溫度22℃，鐵芯90min時最高溫度28.9℃，機座90min時最高溫度28℃，噪聲測量最大值為105dB，波動不大，振動正常。鐵損試驗3個主要指標：單位鐵損實測值1.186W/kg小于標準值1.3W/kg；最大鐵芯溫升實測值6.9℃小于標準值25℃；最大鐵芯溫差實測值6.9℃小于標準值15℃。試驗過程中和試驗結束后檢查定子各焊縫、機座、壓緊螺桿、鐵片均無異常。清蓄電站#1機組定子鐵芯磁化試驗順利完成，定子鐵芯磁化試驗結果符合設計計算值，各部位測點溫升及溫差都正常，試驗過程中無異常現(xiàn)象。

結束語

依據(jù)上述定子磁化試驗方案，清蓄電站#1機定子鐵芯磁化試驗順利完成，鐵芯溫升、溫差及單位鐵損均滿足國家標準和合同要求。為下一步定子下線提供了強有力保證。同時，還需要繼續(xù)研究試驗電源電壓的小波動對磁化試驗的影響，為后續(xù)機組及類似電站定子鐵芯磁化試驗提供更多經(jīng)驗。

參考文獻

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作者簡介：李華（1982-），男，工程師，主要從事抽水蓄能電站機電項目基建工作。