大型发电机定子铁损试验及分析

2013-08-29欧小冬

中国水能及电气化 2013年3期

欧小冬

(黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西太原 030000)

1 概况及原因

黄河万家寨水电站装有6台180MW的大型水轮发电机组，定子铁芯材料均为冷轧无取向高导磁硅钢片，厚度0.5mm，硅钢片两面涂F级绝缘漆，全圆由45张扇形叠片叠合而成。2009年6月，在进行3号水轮发电机大修前定子线棒交流耐压试验时发现:C相第2分支97槽下层线棒底端部弧形弯附近绝缘被击穿。经过分析判断，击穿主要由机组长时间运行产生的电磁力及振动，使底部铁芯叠片径向位移而不断磨损下层线棒弧形弯附近绝缘层及定子铁芯安装时遗留质量问题所致。随后检查了该机组所有定子铁芯叠片，发现近95%定子底部铁芯叠片都存在径向位移且位移处下层线棒绝缘层均有不同程度磨损，存在严重绝缘事故隐患。

为此，采取了如下处理措施:将该发电机所有上下层定子线棒拔出，对径向位移出的铁芯叠片进行打磨至与其他未位移的铁芯叠片在一个垂直面上，并对打磨后 (包括不用打磨的)的底部铁芯叠片用高强无磁钢板限位以防再次径向移出，同时校正所有定子铁芯叠片定位螺栓紧力。

为了检测处理后的3号发电机定子铁芯叠片整体装配质量，必须进行定子铁损试验。

2 试验目的

测试定子铁芯的单位功率损耗、温升及温差等参数，以判断相关参数是否在现行标准允许范围内，从而确定定子铁芯装配质量等级和铁芯叠片间是否存在有其他绝缘缺陷。

3 定子铁芯相关参数

(1)铁芯外径D1=12800mm。

(2)铁芯内径D2=12130mm。

(3)铁芯总长度LFe=1850mm。

(4)铁芯通风沟层数N=51层。

(5)铁芯通风沟高B=6mm。

(6)铁芯槽深H2=139.96mm。

(7)铁芯材料比重γ=7.6g/cm3。

(8)硅钢片牌号为50W270。

(9)叠压系数K=0.95。

(10)单片50W270损耗为1.1W/kg。

4 试验参数计算

(1)铁芯轭部高度H1为

(2)铁芯平均直径D0为

(3)铁芯净高度L为

(4)铁芯截面积S为

(5)铁芯轭部重量G为

(6)励磁电压U1为

选择U1=380V(加至励磁绕组上的实际电压)。

(7)励磁绕组匝数W1为

W1=U1/4.44fSB =380÷(4.44×50×0.286084672×1)=5.9832匝(取励磁绕组匝数W1=6匝)。

(8)励磁电流I:

老计算方法:当W1=6匝时;当W1=5匝时5=1702A(H0是经验值，推荐值为2.15～2.3，此处取2.15)。

按最新计算法:当 W1=6匝时4.91×103×50×62×0.286084672)=752A;当W1=5匝时2/(12.6 ×10－7×4.91×103×50×52×0.286084672)=1082A(μ0为励磁线圈真空磁导率;μr为励磁线圈相对磁导率;f为励磁电流频率)。

(9)测量线圈匝数WC为

WC=U2W1/U1=150×5.9832÷380=2.36匝

(U2取值范围在100～200之间，此处取150)。取测量线圈匝数WC=2匝。

(10)试验变压器容量P为

P=1.732U1I×1.05=1.732×380×1418×1.05=980kVA。选取1000kVA。

(11)测量线圈电缆截面积。由于测量线圈只用于测量感应电压，测量回路电流较小，一般选取截面积2.5mm2或4mm2即可。

(12)励磁绕组电缆截面积S1。按励磁绕组分5组并联 (每组6匝)考虑，其每组电缆分得电流为283.6A(1418A/5)，再按励磁绕组每平方毫米铜芯电缆不大于3A电流计算:

S1=283.6/3=94.5mm2。选择 95mm2。

5 试验原理及数据

5.1 试验接线

根据现场实际情况，选用6kV厂用电降压变压器21T(其容量为1250kVA)为专用铁损试验电源，铁损试验接线如下图所示。

铁损试验接线原理图

5.2 主要数据统计及计算

由于温度测量点多，在这里只选取最具

代表性的最大和最小温升及最大铁损数据列于表1～表4中。

表1 铁芯齿部温升相关数据

表2 铁芯轭部温升相关数据

最大轭部温差=(20.9－11)×(10000/B)2=11.02℃ ＜15℃用红外热像仪测量值1 铁芯上部 31.8 51.4 19.6 21.6 2 铁芯下部 31.5 47.9 16.4 18.04最大轭部温差=(19.6－16.4)×(10000/B)2=3.56℃ ＜15℃

表3 铁芯最大铁损相关实测数据

表4 铁芯最大铁损相关计算数据

6 试验分析、要求及结果

6.1 试验分析和要求

(1)由于铁损试验是高压试验，试验回路一次设备又是大电流设备，与试验无关人员不得进入试验隔离区内，各试验人员和设备必须做好相关安全措施，如设备外壳接地良好、励磁绕组间及励磁绕组与铁芯间绝缘符合规定、励磁电缆与开关进出接线端子及试验变压器的连接处接触电阻在允许值内、试验操作人员佩戴相关安全工具等，以保证试验安全。

(2)铁芯实际磁通密度、励磁电压和励磁电流不能同时达到要求值，引起铁芯铁损、温升和温差误差太大而影响试验数据可靠性时，应及时检查试验方法，使磁通密度、励磁电压和励磁电流实测值均与计算值相近。

(3)励磁电流实际值常远小于计算值。其原因在于除了励磁绕组缠绕过松和绕向不一致、励磁绕组截面积小阻抗大、在铁芯上分布不均匀及硅钢片磁导率偏差等因素外，还有两个常最容易忽视的因素:

1)试验变压器离铁芯太远，使试验变压器至铁芯间励磁电缆太长分压过多，铁芯处励磁绕组电压达不到试验要求值 (本例为380V)，以致铁芯磁通密度小于要求的10000Gs而引起实际励磁电流远小于计算值，现场试验时，应将试验变压器和开关柜布置在铁芯近旁，以确保实际励磁电压和励磁电流尽可能与计算值相近。

2)励磁电流计算方法的不同引起计算值大小不一。按最新计算法计算的励磁电流与实际电流比较接近 (本例实际铁损试验时，励磁绕组分5组并联，每组5匝，其计算值1082A和实际最大电流950A较接近)，在计算励磁电流时应优先选用最新计算法 (但仍存在一定误差);按传统计算法计算时由于经验值H0常选取在2.15～2.3之间，计算值常远大于实际值，应对H0取值范围向下调整。

(4)进行试验时，若发现有局部过热点，但温差又不显著，可将磁通密度由1T提高到1.4T(即提高励磁电压至532V)，持续时间由90min降至45min，以便确定出具体缺陷部位。

(5)试验变压器容量的选择最好按大于1.4倍计算容量考虑。试验变压器容量通常按1.05～1.2倍计算容量选择有欠考虑，因为试验中一旦出现异常情况(如铁芯存在局部过热且温差不明显时)，就需要将试验变压器的容量提高到计算容量的1.4倍左右才能满足试验要求，在试验前试验变容量最好按大于1.4倍计算容量选择为妥。