王 建 正， 李 科， 劉 艷 麗， 郭 林 偉

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

定子鐵損是水輪發(fā)電機能量損失之一，對發(fā)電機效率、功率因數(shù)均有一定的影響。發(fā)電機定子鐵芯是由薄硅鋼片現(xiàn)場疊裝而成，水輪發(fā)電機在機組運行過程中可能因鐵芯內(nèi)部沖片短路導致產(chǎn)生局部過熱點從而加速鐵芯絕緣盒定子線圈絕緣的老化，甚至造成鐵芯燒損及線圈擊穿事故、進而威脅到水輪發(fā)電機的安全運行。因此，為檢查鐵芯制造、安裝中的質(zhì)量，在發(fā)電機定子完全疊片安裝完成后、定子線棒下線前需進行定子鐵損試驗，從而綜合判斷定子鐵芯的制造、安裝質(zhì)量是否滿足設計要求。對于大型水輪發(fā)電機組，其是制造安裝工序檢查中必不可少的試驗項目之一。

蘇布雷水電站發(fā)電機定子繞組型式為條形疊繞組，上、下層線棒共計1 392根，696槽，并聯(lián)4支路,56極。定子額定電壓為10.5 kV，繞組絕緣等級為F級，繞組上、下端各布置一條端箍，線棒端部的絕緣采用絕緣盒灌膠工藝。下線裝配及附件安裝完成后，定子總重量約為170 t，定子總起吊重量約為227 t。

試驗采用的主要規(guī)范和標準：

GB/T 20835-2007 發(fā)電機定子鐵芯磁化試驗導則

GB/T 8564-2003 水輪發(fā)電機安裝技術規(guī)范

SL 600-2012 水輪發(fā)電機定子現(xiàn)場裝配工藝指導

B50A250 硅鋼片型號

交接標準： 鐵芯各部分最高溫升<25 K(在1.25T時)

鐵芯相互間最大溫差<15K(在1.25T時)

2 投標階段設計的水輪發(fā)電機

蘇布雷水電站地處低緯度地區(qū)，受赤道低氣壓帶影響，屬于熱帶季風氣候，其主要特征為高溫多雨，全年平均溫度約為26.5 ℃左右，一年分為兩個雨季，分別為3～6月和9～10月，一般在7～8月有一個小旱季。蘇布雷水電站廠房通風設計溫度約為30 ℃，廠內(nèi)相對濕度≤80%。發(fā)電機的基本參數(shù)見表1。

3 試驗原理及數(shù)據(jù)

定子鐵損試驗是發(fā)電機大型試驗項目之一，試驗前必須完成大量的計算和準備工作。

3.1 鐵損試驗的基本原理

在疊裝完成的發(fā)電機定子鐵芯上纏繞勵磁繞組，繞組中通入交流電，使其在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生接近飽和狀態(tài)的交變磁通，從而在鐵芯中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。若鐵芯中片間絕緣受損或劣化將產(chǎn)生較大的渦流，溫度很快就會升高。

使用測溫電阻測量定子鐵芯的溫度，計算出溫升及溫差；使用紅外線測溫儀查找局部過熱點并輔助測溫；在鐵芯上纏繞測量繞組以便測量其感應電壓并計算出鐵芯軛部總的有功損耗。將測量結果與設計要求進行比較后判斷定子鐵芯的制造與安裝質(zhì)量。本次試驗設備的電源電壓為 400 V，電氣試驗接線原理見圖1。

圖1 采用變頻器做定子鐵芯損耗試驗的連接示意圖

3.2 鐵損試驗的理論計算

3.2.1 定子鐵芯軛部截面A(mm2)的計算

定子鐵芯軛部截面A(mm2) 的 各部分尺寸見圖2。

A=L×h= 1.089 6 ×0.198 5

=0.216 3(m2)

L=K(L1-nb)=0.96×(1.24-21×

0.005)=1.089 6(m)

h= (Da-Di)/2-hs= 0.325-0.126 5

=0.198 5(m)

式中L為定子鐵芯的有效高度 (m)；h為定子鐵芯的軛部高度 (m)；K為填充系數(shù)；L1為定子鐵芯總長 (m)；n為定子鐵芯通風溝數(shù)；b為定子鐵芯通風溝寬(m)；Di為定子鐵芯內(nèi)徑 (m)；Da為定子鐵芯外徑 (m)；hs為定子鐵芯齒高 (m)。

3.2.2 勵磁線圈(Nr)的計算

式中U2為勵磁線圈電源電壓 (V)；f為試驗電源頻率(Hz)；B為試驗時鐵芯軛部磁通密度 (T)。

試驗時要求鐵芯軛部磁通密度為 1.25 T，f=40 Hz，勵磁線圈 (Wr)的匝數(shù)(Nr)應為：

3.2.3 勵磁線圈電流 (I) 及功率 (Pr) 的計算

≈738 (A)

Dav=Da-h=11.27-0.198 5

=11.071 5(m)

式中Dav為定子軛部的平均直徑(m)；H0為

1.7×102A/m。

勵磁線圈(電纜繞制的)的功率 (Pr)：

Pr=1.1×IU2×10-3=1.1×738 ×400 ×

10-3=324 (kVA)

同理，按照上述公式計算不同的B對應的相關數(shù)值，見表2。

4 試驗過程中的主要數(shù)據(jù)

表2 不同B值對應頻率、匝數(shù)、電纜截面等相關數(shù)值表

圖2 定子鐵芯各部分尺寸示意圖

眾所周知，工頻頻率范圍為40～60 Hz，且目前國內(nèi)同類電站定子鐵損試驗大多采用工頻技術。但根據(jù)業(yè)主(科特迪瓦共和國礦產(chǎn)能源部)要求，蘇布雷水電站定子鐵損試驗采用的標準為90 min，50 Hz/1.25 T。蘇布雷水電站現(xiàn)場工業(yè)用電為33 kV系統(tǒng)，試驗電源根據(jù)實際情況只能采用400 V系統(tǒng)。若采用常規(guī)辦法，勵磁電纜截面積需采用400 mm2,試驗電源功率需選用大于850 kVA的變壓器。因試驗電源功率偏大、電纜截面積偏大、試驗過程中的振動較大而無法控制、現(xiàn)場實施試驗的勞動強度大等因素困擾著該項試驗的實施。經(jīng)與業(yè)主反復溝通，最終決定采用變頻技術，即諧振原理。此次試驗為水電五局首次采用變頻技術進行發(fā)電機定子鐵損試驗，由隸屬于美國GE公司旗下的瑞士ALSTOM發(fā)電機總部的試驗設備廠家代表進行。在本次試驗中，勵磁繞組分2個區(qū)域對稱纏繞，每個區(qū)域纏繞18圈；測量繞組分3個區(qū)域，每個區(qū)域纏繞12圈?？铺氐贤咛K布雷水電站1#機、3#機定子鐵損試驗在安裝間進行，2#機定子鐵損試驗在基坑內(nèi)進行。其中勵磁電纜截面積為65 mm2，試驗總電源功率為275 kW。筆者以3#機定子鐵損試驗作為研究對象予以介紹。試驗場地布置情況見圖3。

變頻器采用ABB生產(chǎn)的ACS變頻器，電壓為1 200 V，電流為2 250 A，電容為6×1 mF，補償功率為2 700 kVA，頻率為50 Hz，電流互感器為6 000 A/5 A，電壓互感器為1 200 V/100 V。變頻器基本情況見圖4。

圖4 變頻器示意圖

5 試驗分析與注意事項及結果

5.1 試驗分析及注意事項

(1) 首先按表2中的序號1接線; 試驗時間為10 min并觀察；如果正常，則應調(diào)整變頻器的頻率為50 Hz并按照表2中的序號3接線，其勵磁電纜為9匝；試驗時間 為10 min并觀察；如果正常，則試驗時間為持續(xù)90 min；

(2)試驗過程中發(fā)現(xiàn)振動較大。經(jīng)與業(yè)主工程師溝通，為確保安全可靠，業(yè)主方、總包方、試驗執(zhí)行方三方達成一致意見：降低試驗頻率，增加試驗時間。1#定子鐵損試驗頻率為45 Hz,磁通密度為1.25 T，試驗時間為120 min。由于2#、3#定子試驗頻率選用40 Hz，故磁通密度為1.25 T、試驗時間為120 min；

(3)從變頻器到定子繞組的電纜應盡量縮短，此舉可減少電纜對地的電容量并減少干擾的發(fā)射源；

(4)事先在變頻器盤柜內(nèi)設置相應的頻率值，同時，變頻器本體應與電站的接地網(wǎng)可靠連接并在變頻器內(nèi)設置過載、過流保護，且直流側電容的耐壓大于900 V、交流側電容的耐壓值大于450 V；

(5)為確保數(shù)據(jù)采集精準，避免干擾，測量繞組與動力繞組的距離必須大于50 cm；同時，環(huán)境溫度應小于40 ℃；環(huán)境濕度應小于85%；

(6)勵磁電纜應采用耐壓 (1 kV) 的單股多絲銅橡膠電纜繞制。在電纜與定子鐵芯及軛部凸棱處繞制時, 應墊軟質(zhì)絕緣保護層。 試驗接線及表計的極性應正確,勵磁繞組和測量繞組應均勻地繞制在定子鐵芯周圍, 先松、待調(diào)整均勻、墊完絕緣后再緊固。 測量線圈應在進出線對側的中間布置且不能與鐵芯接觸,應墊絕緣保護材料；

(7)試驗中檢查定子膛內(nèi)各部溫度時應穿絕緣鞋, 不能用雙手同時直接觸摸鐵芯以防觸電，膛內(nèi)及工作人員不能帶金屬物件；

(8)試驗中若發(fā)現(xiàn)鐵芯任何一處溫度超過規(guī)定值 (一般為105 ℃), 或個別地方發(fā)熱厲害、甚至冒煙或發(fā)紅時, 應立即停止試驗，找出原因并予以消除后再進行試驗；

(9)在讀取各部分有關參數(shù)時, 應盡量同時讀取并每隔10 min讀一次，迅速計算其有關溫升、 溫度及單位損耗；

(10)在試驗現(xiàn)場，應安裝電源開關的分/合閘控制, 以便在遇到緊急情況時可方便操作，以減少損失。定子鐵芯的基礎與地的接觸要牢固且外殼必須要與電站的接地系統(tǒng)連接可靠, 接地線應裸露且接觸良好。

5.2 試驗結果

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，最大鐵芯損耗小于1.43 W/kg，即單片硅鋼片損耗的1.3倍，鐵芯齒部和軛部的最大溫升均小于25 ℃，鐵芯齒部和軛部的最大溫差均小于15 ℃，試驗數(shù)據(jù)滿足相關標準規(guī)定的指標，發(fā)電機定子鐵損試驗合格。試驗過程中無局部過熱現(xiàn)象出現(xiàn)，鐵芯片間絕緣良好。定子鐵損試驗合格，鐵芯疊裝質(zhì)量合格。

6 結 語

發(fā)電機定子鐵損試驗是一項重要的電氣試驗，用于檢驗鐵芯制造、疊裝質(zhì)量，可以測出鐵芯損耗。但由于沒有轉子的參與，其與電機實際運行不同，鐵芯損耗也將因磁通產(chǎn)生的方式、路徑以及磁動勢的形式而對數(shù)據(jù)的準確性和可靠性有一定的影響。本次采用變頻技術進行鐵損試驗，很好地利用了諧振原理，與常規(guī)定子鐵損試驗相比，大大減少了試驗總電源要求以及勵磁電纜的截面積；同時，減弱了試驗過程中的振動，減輕了現(xiàn)場試驗的勞動強度，大大提高了試驗效率，降低了危險因素。各項試驗數(shù)據(jù)準確可靠，對今后其它電

站定子鐵損試驗采用變頻技術提供了很好的參考。