水电站发电机定子磁化试验参数取值分析

吕 滔

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

水电站发电机定子磁化试验参数取值分析

吕 滔

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

定子磁化试验是评价发电机定子铁芯质量优劣的重要方法。本文介绍了定子磁化试验的方法和原理，并结合某工程案例，列举其试验方法，试验数据计算和试验结果。通过试验数据计算和试验结果的差异，指出其计算过程中数据处理的不当之处。通过分析纠正其造成励磁电流偏大、试验磁场强度偏小、铁芯重量计算不精确等方面的计算误差。结合基本公式推导给出更优的试验数据计算方法和建议。并根据工程实际经验，提出了一种较准确测定铁芯重量的实际应用方法。

发电机；定子铁芯；硅钢片；磁化试验；铁芯损耗

0 引言

发电机定子质量的优劣直接影响发电机的效率、功率因素以及电机的安全运行。发电机定子铁芯质量主要是通过磁化试验进行评价判定的。因此，选择正确的试验方法和试验参数有利于准确评价发电机定子铁芯的制造质量。目前，评价发电机定子铁芯质量的主要技术指标是定子铁芯的单位铁芯损耗和铁芯温升。通过查阅大量工程案例和相关资料，笔者发现一些现场试验方法和试验参数的取值存在不适之处。本文结合典型案例进行分析，指出试验中的不妥之处，提出笔者的建议和看法，并提出一种比较准确计算铁芯质量的方法。

1 铁芯磁化试验

发电机定子铁芯一般由矽钢片叠压安装制作而成。铁芯冲片通常采用含碳量极低的硅铁软磁合金。铁芯冲片在交变磁场下磁化时所消耗的电能，称为铁芯损耗。铁芯损耗转变为热量，引起定子铁芯的温度升高，造成电量损失。现场试验方法采用的是爱泼斯坦方圈测试方法[1]。基本原理依据的是电磁感应定律。

感应电动势有效值为：

式中： W——线圈匝数；

f——交变电流频率；

Φ——交变磁通量；

B——电磁感应强度（磁通密度）；

S——交变磁通截面积。

2 现场试验

本文以某电站的定子铁损试验为例。该电站总装机容量500MW，单机容量125MW。机组型号为SF-J125-88/15070，额定容量142.9MVA，额定功率125MW，额定电压15.75kV，额定电流5238A，功率因素0.875（滞后）。发电机定子铁芯采用现场安装，定子机座现场焊接，铁芯冲片经叠装压紧后进行铁芯损耗试验。

铁芯磁化试验采用在发电机定子铁芯上缠绕励磁绕组。励磁绕组内通入工频交流电流，在定子铁芯回路中产生符合试验要求的电磁场强度。同时，通过缠绕在定子铁芯上的二次测量绕组读取二次回路中测量电压、一次回路电流、有功功率等试验参数计算定子铁芯单位重量的损耗。定子铁芯通风槽、定子机座等部位埋设热电偶测量记录定子各部位的温度及温升，有条件时还可采用红外线测温仪、热成像仪等设备查找定子铁芯局部过热点。定子铁芯截面图如图1所示，现场试验布置如图2所示。

图1 定子铁芯截面图

图2 现场试验布置图

2.1 基本参数

（1）设计考核指标。

定子铁芯最高温升：≤25K

定子铁芯最大温差：≤15K

单位铁芯损耗：≤1.43W/kg

（2）定子铁芯基本参数。

定子铁芯叠压系数K：0.93

定子铁芯外径d2：15070mm

定子铁芯内径d1：14420mm

定子铁芯磁轭高度h：1300mm

定子铁芯槽深h1：134.5mm

定子径向通风道宽度b：4mm

定子径向通风道数量n：33

铁芯比重ρ=7.8×103kg/m3

2.2 试验计算

（1）现场给定参数。

励磁电压U1=400V

磁场强度B1=1T（理论计算值）

励磁电流频率f1=50Hz（理论计算值）

安匝系数aw=1.9×102安匝/米

测量绕组匝数M2=2

（2）试验计算参数（结果保留两位小数）[2]。

定子铁芯磁轭宽度：

h0=（d2-d1）/2-h1=190.5（mm）

定子铁芯有效高度：

L=K×（h-b×n）=1086.24（mm）

定子铁芯磁轭平均直径：

dav=d2-h0=14879.50（mm）

定子铁芯磁轭截面积：

S=h0×L=206928.72（mm2）

励磁绕组匝数：

M1=U1/（4.44B1×f1×S）=8.71（匝）

试验绕组匝数取8匝。

励磁绕组电流：

I1=（π×dav×aw）/M1=1109.64（A）

测量绕组电压：

U2=4.44M2×B1×f1×S=91.88（V）

表1 铁芯损耗试验现场记录表（保留三位小数）

铁芯重量：

m=ρ×π×dav×S=75410.77（kg）

2.3 试验数据处理分析

试验过程中，试验应实测记录如下数据：实际励磁电压U1、实际励磁电压频率ƒ、实际励磁绕组电流I、测量绕组电压U2、实际铁芯损耗P、各部位温度t、噪声等数据。

试验时实际的磁场强度：

定子铁芯标准损耗P1（W/kg）为：

不考虑频率影响，损耗系数k取1。简化计算公式得：P1=P/B2。

该简化计算的铁损误差在0.2%～8.7%，平均误差3.94%。[3]

试验数据现场记录见表1。

现场试验记录表试验数据结果表明，本次试验铁芯损耗超标不合格。

3 铁芯损耗计算的探讨

本案例中，我们可以发现数据的分析处理存在以下几个问题：

（1）励磁电流计算值I1与实际励磁电流值I相差较大。

（2）实际磁场强度B偏小。

（3）铁芯损耗指标超标，如何判断评价定子铁芯质量。

3.1 励磁电流计算值偏大原因分析

本文认为计算公式本身是正确的。产生的差异主要是安匝系数的取值范围造成的。通过查阅相关资料和实际案例发现，一些工程案例中励磁电流计算时，安匝系数的取值范围为2.15×102～2.30×102安匝/米[4]。随着现在制造工艺的提高，实际生产使用的硅钢片磁导率μ通常为7000μ～10000μ0，μ0=4π×10-7N/A2。

由安匝系数的计算公式：

可得，安匝系数的取值范围为0.80×102～1.14×102安匝/米。

因此，试验前应取得定子铁芯材质的型号或由厂家提供励磁磁化曲线取值表。结合工程实际情况取得一个合适的安匝系数值较为合理。本文根据工程实际经验，建议安匝系数取值范围为1.7×102～ 1.9×102安匝 /米[5]。

3.2 磁场强度实际值偏小原因分析

本案例在计算时励磁绕组匝数时，未考虑电源电压压降的影响。铁芯损耗试验时，电源负载是重负荷，会引起较大的电压压降。励磁电压的降低直接影响铁芯的磁场强度。因此，在计算时应考虑电压降的影响。为保证试验时的磁场强度，工程中可采用励磁电压计算值取80%UN～90%UN，UN为电源电压额定值。由于铁芯损耗会使励磁电压产生谐波分量[6]，试验为了保证测量电压波形和较准确的功率损耗数据。因此，建议试验电压宜采用10kV电压且励磁电源侧为三角形接线。

3.3 铁芯损耗合理性分析

本案例的试验数据表明，该定子铁芯损耗超标不合格。该定子铁芯铁耗[7]超标11.61%，其他指标均符合要求。从铁芯重量计算公式可以看出，该公式计算的铁芯重量未计算定子铁芯齿部的重量。较实际尺寸的铁芯重量偏小。因此，为了准确评价铁芯损耗，建议采用以下方法计算铁芯重量。

由于现场到货的铁芯冲片都是规格相同的标准产品。因此，可以测量n片铁芯冲片重量计算得出单片铁芯冲片平均重量G0。测量n片铁芯冲片外圆弧周长计算得出单片铁芯冲片平均外圆弧周长l0。测量n片铁芯冲片厚度计算得出该规格产品单片铁芯冲片平均厚度b0。选测定子铁芯XY正负轴方向（顺时针俯视）等n点计算定子铁芯平均高度 h0。

铁芯外圆周长为：

l=π×d2

铁芯重量为：

式中：d2——定子铁芯外径；

K——定子铁芯叠压系数。该计算方法可以得到相对准确的定子铁芯重量。从而准确地得到铁芯损耗值，进而进行综合判断定子铁芯是否合格。

4 结束语

铁芯损耗试验是评价定子铁芯质量的主要方法。选择合理的试验参数，正确处理和分析试验数据，是正确判断评价定子铁芯质量优劣的基础。笔者发现一些工程试验在数据处理和计算时缺乏深入探究，导致工程实际中造成了不必要的试验材料浪费和不正确的质量评价。本文查阅大量工程案例，并结合实例提出了笔者的建议和看法，希望对工程试验人员在实际工程应用中能形成借鉴和参考。

[1] 苏英俩．基于STM32的电工钢片铁损测试仪的研究和开发 [D]．浙江工业大学，2010：7-8．

[2] 李建明，朱康．高压电气设备试验方法[M]．北京：中国电力出版社，2001：494-496．

[3] 莫会成，闵琳，于志刚，等．电机用硅钢片铁耗研究[J]．微电机，2008，41（11）：5-7．

[4] 程昱．水轮发电机定子铁损试验[J]．西北水电，2011，（2）：63．

[5] 杨海龙，胡鑫凡．大型水轮发电机定子铁损现场试验方法[J]．电工技术，2014（7）：44．

[6] 王正茂，阎治安 崔新艺 苏少平．电机学[M]．西安：西安交通大学出版社，2000：34

[7] 李友松．定子铁损试验不合格的原因分析及处理[J]．广西电力，2007（5）：23．

吕 滔（1984—），男，工程师，主要从事水电厂机组调试工作。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