大型水轮发电机电气试验研究及相关规程讨论的认识

摘要：水轮发电机是水力发电站主要的动力设备，水流经过水轮机之后将水能转换为机械能，其可以分为微型水轮发电机、小型水轮发电机、中型水轮发电机以及大型水轮发电机。电气试验是检验发电机安装过程、结果质量的重要手段，水电站建设过程中必须要做好水轮机的电气试验。文章对大型水轮发电机电气试验的相关内容及试验规程进行了分析。

关键词：大型水轮发电机；电气试验；试验规程；水力发电站；动力设备 文献标识码：A

中图分类号：TM301 文章编号：1009-2374（2017）08-0177-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.086

随着科学技术及现代工业的迅速发展，能源危机日益加剧，这极大地推动了水电市场的发展。近年来，越来越多的大型水利发电站开始投入建设运行，水轮发电机是水利发电站中重要的动力设备，它的正常运行直接关系着水电站的运行效率及运行质量，因此关于水轮发电机的研究课题十分受欢迎。电气试验是检验水轮发电机安装质量的重要手段，对于确保整个发电机组的安全、稳定、长期运行有着十分重要的意义。水轮发电机电气试验过程中需要严格遵守相关的技术规范及标准进行，只有这样才能够保证试验结果的精准度，更好地为水轮机组服务，下文就大型水轮发电机组电气试验的方法及标准进行探究讨论，仅为行业内有关人员的工作提供参考。

1 大型水轮发电机定子铁芯磁化试验

1.1 定子铁芯有效面积及励磁线圈

1.1.1 定子铁芯有效面积计算（A）。定子铁芯的有效面积指的是铁芯轭部高度（L）与有效高度（h）的乘积。定子铁芯的外径尺寸为D1，内径为D2，铁芯的高度为L1，通风沟的宽度为L2，数量为n，定子槽深记为b。定子铁芯的有效高度可以用以下公式进行计算：

L=K1×（L1-n×L2）

式中：K1指的是铁芯的叠压系数。定子铁芯安装过程中，具体的安装工艺不同，铁芯的叠压系数可能也存在着一定的区别，一般都是由铁芯的生产厂家提供的，定子铁芯叠压时如果采用的是热压工艺，铁芯的叠压系数取0.97，如果采用的是冷压工艺，铁芯的叠压系数可以取0.95，定子铁芯主要影响的是铁损计算值，对于试验电源的影响较小。

定子铁芯的轭部高度（h）采用以下公式进行计算：

h=（D1-D2）/2-b

1.1.2 励磁线圈安匝数（AW）。AW=×（D1-h）×aw，式中：aw指的是定子铁芯单位长度所需要的安匝数，该数值一般根据铁芯材料的性质决定，就目前来说，磁感应强度为1T时，国产大中型发电机组中，定子铁芯单位长度安匝数一般为2.15～2.3A匝/cm，根据实践经验，大多数情况下都取1.5～2A匝/cm。安匝数会影响到励磁电缆界面及试验电源容量的选择，进而影响电气试验的成本及安全性，通常情况下，安匝数较大时，电气试验更加安全，但与此同时，试验的成本也会增加，因此必须要合理选择安匝数。

一匝测量线圈感应电压U2=4.44f×A×B，则励磁线圈的匝数W1=变压器次级电压等级/一匝测量线圈感应电压，W1应取整数。铁损电流大小Im=AW/W1。

励磁电缆选择时，要确保励磁电流值在导线额定电流值的50%～70%，不能使用铠装电缆或者铅皮作为导线，导线必须要保证良好的绝缘性。测量线圈可以选择比较细的导线，缠绕的圈数主要根据功率表电压线圈允许数值决定。

1.2 电气试验结果的分析判断及相关标准

根据相关的電气装置安装规程电气设备交接试验标准规定，试验过程中的磁通密度为0.8～1.0T，按照磁通密度折算各点的温度时，铁芯齿部最高温升应小于等于45℃，各齿的最大温差应小于等于30℃，如果是新机，齿部温升应控制在25℃以下，温差应控制在15℃以下，试验持续的时间应控制在90min左右。根据水轮发电机组安装技术规范的有关规定，大型水轮机定子铁芯磁化试验过程中，磁感应强度按照1T进行折算，试验时间控制在90min，铁芯处最高温升应小于等于25K，齿间相互的最大温差应小于等于15K，铁芯与机座之间的温差应严格按照制造厂家的相关规定进行控制，单位铁损同样需要符合制造厂商的相关规定，且确保定子铁芯没有错出现其他异常情况。

试验过程中，按照电气装置安装规程电气设备交接试验标准，实际的磁通密度控制在0.8～1.0T之间，试验时间同样是90min，水轮发电机定子现场装配工艺导则规定，磁感应强度应控制在1.0T左右，不得低于0.9T，试验时间90min，除此之外，还有一些相关的试验规范也对磁感应强度进行了规定，比如1～1.2T、90min，1.5t以下、45min，国外的水轮机机组一般采用1～1.2T。

实际的定子铁芯磁化试验过程中，选择1～1.2T的磁通密度，磁化效果较好，能够保证铁芯内部的磁场尽可能达到饱和状态，可以更好地考验各个部分的温升，同时随着时间的推移，磁通密度会呈现下降的趋势，因此试验刚开始时磁通密度取较大的数值能够确保后期试验过程中磁通密度始终处于1T左右。现阶段我国的大部分水电站水轮发电机组都采用的是1T左右的磁通密度，磁化试验的时间大多控制在90min，

就磁化过程中的单位铁损情况来说，目前我国基本上所有的规程中都明确指出，单位铁损必须要符合生产厂家的相关规定。大型水轮机组的定子铁芯需要进行现场的叠压，因此制造厂家一般会给出一个控制值，该数值按照材料的特征单位损耗乘以一个系数进行计算。实际的磁化试验中，铁芯的损耗值根据铁芯的质量及测得的功率损耗进行计算，一般情况下，铁芯的安装质量与计算质量可能会存在着较大的区别，一旦出现单位铁损超标的现象很难进一步处理。

1.3 其他问题

1.3.1 温度测量。铁芯磁化试验过程中需要测量试验温度，但大型水轮机组的励磁电源多为高压电源，因此使用酒精温度计进行测量的方法在这里并不适用，不仅操作不便，读数也不够准确。相对而言，热电偶测量方法精度较高，但实际测量过程中布线比较麻烦，还容易受到强磁场及补偿线长的影响，误差较大，三峡水电站采用的是红外线热像仪测量方法，精度高但价格比较昂贵，现阶段难以普及，因此大型水轮机组铁芯磁化试验温度测量时可以采用热电偶方法辅助监测，远红外测温仪重点监测的方法。

1.3.2 励磁电源选择。大型水轮发电机磁化试验的励磁电源应控制在6～10kV之间，电源电压过低时，励磁电流较大，电缆的截面同样较大，控制起来不够便捷，电源电压较小时，励磁电流较小，电缆匝数较多，电缆缠绕施工十分不方便，也会造成电缆的浪费，因此6～10kV之间即可，具体的数值需要根据水轮机组的实际情况进行合理的选择。

1.3.3 励磁电缆缠绕时串并联方式选择。励磁电缆缠绕时并联或者串联的方法均可以，两种方法各有优缺点。串联缠绕时，每匝线圈中电流的大小均相等，因此不需要考虑局部电路电压的损耗问题，比较切合实际，但是当电缆较长时，缠绕施工比较麻烦，一旦需要临时调整匝数，十分不方便。并联缠绕的方式施工起来比较简单，如果需要临时調整匝数也比较方便，但试验过程中需要严格控制每匝线缆的截面、长度，以免局部支路电缆不均衡，具体采用哪种缠绕方式需要根据水轮机组实际的工作情况决定。

2 大型水电机组定子整体试验

2.1 定子绕组交流耐压试验

现阶段我国的定子绕组交流耐压试验的耐压标准与国外的标准并不一致，以工地组装的大型发电机组为例，国内主要采用的是2倍额定线电压加上3kV的耐压标准。大型发电机耐压试验过程中需要考虑设备的电压波形、容量、电压保护、电流保护等问题，现阶段大型发电机耐压主要有串联谐振、并联谐振及谐振变压器几种，串联谐振波形最好，发生击穿后对水电机组的损伤最小，但实际使用过程中容易受到外部电源的影响，试验时对电源的要求比较高，随着电压的升高，电源必须要同步调谐，操作比较困难。另外，两种变压器谐振相对较差，但操作比较简单，大型发电机定子耐压试验中，考虑到机组安全性问题，优先选择串联谐振耐压设备。

2.2 定子绕组绝缘电阻测量

根据相关的国标规定，大型发电机定子试验过程中需要测量绝缘电阻、吸收比或极化指数几个重要的参数，尤其是极化指数非常重要。大型发电机电容量较大，兆欧表的充电容量不同会导致测量过程中15s及60s绝缘电阻值测量结果存在差异，另外，极化指数不容易受到环境温度等因素的影响，可信度较高。

2.3 定子绕组直流耐压试验

国内的相关标准明确规定，直流耐压试验在交流耐压试验之前进行，实际上，新安装的水轮发电机组十分有必要进行直流耐压试验，有利于相关工作人员及时的发现机组的局部缺陷，避免机组运行或者交流耐压试验过程中出现各种故障。除此之外，直流耐压试验在判断机组绝缘受潮等故障时比较准确，在南方较潮湿的地区尤其需要重视直流耐压试验。

3 大型水轮发电机转子磁极试验

3.1 绝缘电阻测量

国家相关标准明确规定转子磁极绝缘电阻采用1000V兆欧表进行测量，励磁电压以200V为分界点，低于该数值时采用1000V兆欧表进行测量，超过时应采用2500V兆欧表进行测量。根据有关国家标准，大型发电机转子磁极整体耐压标准为10倍励磁电压，大于或者等于1500V，因此大型发电机转子磁极绝缘电阻采用2500V兆欧表进行测量，测量过程中需要对绝缘电阻是否放电进行实时监视，测量结果合格之后才能够进行交流耐压试验。

3.2 磁极交流阻抗测量

磁极交流阻抗测量在判断转子圆度、磁极挂装工艺等方面都有着重要的作用，能够十分明显地反映磁极匝间短路现象，磁极交流阻抗测量必不可少。根据国家相关的标准，磁极前后交流阻抗需要分别测量，测量结果没有明显的变化即可。磁极交流阻抗值能够反映磁极绕组是否存在匝间短路现象，磁极安装完成之后即可进行测量，整体试验中需要进行比较测量。如果测量结果显示磁极挂装前后转子磁极交流阻抗值合格，但全部安装连接完成之后再次测量发现存在着多处不合格的问题，则

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很有可能是因为相关施工人员在安装过程中踩踏磁极上端部导致磁极出现匝间短路引起的。

磁极安装过程中，受到种种因素的限制，磁极交流阻抗值可能会存在着一定的误差，此时需要详细地分析引起匝间短路的原因。部分扩容改造机组的转子经常会进行加垫或者打磨处理，会影响交流阻抗的数值，相关工作人员需要综合判断加垫及打磨厚度，进而处理匝间短路事故。

4 结语

随着水利水电事业的迅速发展，越来越多的大型水轮发电机组开始投入使用，为了保证水轮机组运行的安全及稳定，必须要重视电气试验，本文主要从大型水轮发电机定子铁芯磁化试验、水电机组定子整体试验、发电机转子磁极试验三个方面就大型水轮机组电气试验的相关规程进行了简单的分析，仅为电力系统有关研究人员的这部分工作提供参考。

参考文献

[1] 徐鸣琴，杨浩忠.三峡左岸电站大型水轮发电机定子

铁芯磁化试验[J].水电站机电技术，2011，（2）.

[2] 范于军，莫文华.大型水轮发电机电气试验研究及相

关规程讨论[A].水力发电技术国际会议论文集（第二

卷）[C].2011.

[3] 姜宝君.水轮发电机定子电站现场下线流程及其工艺

特点[J].西北水电，2012，（6）.

[4] 满宇光，魏巍，吴炳晖.三峡水轮发电机定子线圈电

气性能试验[J].大电机技术，2011，（1）.

[5] 杨晓玲，李有春，李尹光.大型水轮发电机定子铁心

磁化试验[J].水电站机电技术，2013，（8）.

作者简介：黄胜勇（1974-），吉林汪清人，汪清满台城综合开发有限公司工程师。

（责任编辑：小 燕）