发电机定子铁耗试验方案改进与实践

李书平,陈子明,易非凡,陈富杰,张 芸,刘 欢,陈啟豪,钱厚军,汪运律

(1.浙江万纳核电检修有限公司，浙江 海盐 314300;2.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

秦一厂发电机定子铁芯是由0.35 mm厚涂有一层薄绝缘漆膜的硅钢片叠片叠装，并通过定位筋将叠片的一端短接固定而成的。叠片间绝缘漆受损后，铁芯在发电机工作时会产生故障电流,引起铁芯绝缘漆受损处温度异常升高，对铁芯造成破坏，同时还会导致与铁芯相邻的绕组绝缘损坏。因此在发电机交接试验、局部或全部更换定子绕组前后，以及在怀疑定子铁芯有损伤等缺陷时都需要进行定子铁耗试验。[1]在进行铁耗试验前，需先确定试验方案。本文通过对秦一厂的三种定子铁耗试验方案应用案例进行研究，为其他电厂的铁耗试验方案的改进提供借鉴。

1 背景

目前国内现行的定子铁耗试验方法可分为三种：一是使用试验变压器将中压(数千伏)变为低压(数百伏)后作为试验电源的传统低压高强磁通定子铁芯损耗试验(简称“传统铁耗”)；二是将传统高强磁通铁芯损耗试验进行改进，用中压电源(数千伏)直接作为试验电源的中压高强磁通定子铁芯损耗试验(简称“中压铁耗”)；三是国内新近采用的电机铁芯故障诊断 (简称“ELCID试验”)。三种定子铁耗试验方案各有其优缺点，电厂在试验时往往难以选择。

秦一厂发电机是上海发电机厂1988年生产双水内冷汽轮发电机，经历过两次扩容改造，发电机及铁芯参数如下：型号：QFS-350-2、定子额定线电压Ui：18 000 V、额定工况下定子轭部磁密：1.584 5 T、定子铁芯厚度：0.35 mm、定子铁芯代号：Z10、定子铁芯外径D1：240 cm、铁芯轭部高度hys：41.6 cm、定子铁芯轭部重量m：87 690.37 kg、铁芯轭部有效截面Q：1.809 6 m2。三种铁耗试验方案均有实践，下面通过对三种铁耗试验方案在秦一厂的实践过程及结果分析，以期能为其他电厂的铁耗试验改进研究提供帮助。

2 传统铁耗试验

2.1 试验方案

2007年秦一厂发电机扩容改造进行铁耗试验时，厂内正值6台油浸式变压器(简称“油变”)更换干式变压器(简称“干变”)改造，现场有多台更换下来的油变可作为试验变压器，故选用了传统低压铁耗试验。

试验方案：发电机抽出转子后，在定子铁芯上缠绕励磁绕组及测量绕组，通过试验变压器将交流电流通入励磁绕组励磁,使定子膛中产生额定磁通80%～100%的磁通量;定子铁芯在交变磁通中产生涡流损耗和磁滞损耗，使铁芯振动和发热。通过测量测量绕组的感应电压及励磁绕组的励磁电流，测量试验铁芯损耗，并使用测温仪器测量高温点温升，计算出单位重量铁芯有功损耗等数据。将计算的铁芯损耗及温升与标准值进行比较，判断铁芯是否有绝缘缺陷，实现定子铁芯检查。

2.2 试验参数计算和实施

试验选用了3台额定容量为Sn=1000 kVA，额定电压比U1/U2=6.3 kV/0.4 kV的油变，并将变压器高压绕组同相并联、低压绕组选一组同相位线电压顺向串联作为传统铁耗的励磁电源，见图1。

图1 传统铁耗试验原理图

励磁电压U1与励磁线圈匝数W1关系：

(1)

式中：f——励磁电源频率，50 Hz；

B——磁通密度，取1.35 T。

估算励磁电流：

(2)

式中：H——铁芯单位长度安匝数(取2.26安匝/cm)。

测量线圈匝数W2和测量电压U2的关系：

(3)

铁耗试验时间：

(4)

使用三台油变低压绕组一组同相位线电压顺向串联后作为励磁电源时，励磁电压U1约为1.2 kV，根据公式(1)～(4)计算得出：励磁线圈的匝数W1：2匝；励磁电流I：739.5 A；测量线圈的匝数W2：1匝；测量线圈电压U2：0.6 kV；铁耗试验时间t：50 min。按照3 A/mm2的电流密度计算，采用1×400 mm2的3 kV无屏蔽软电缆作为励磁线圈，以1×2.5 mm2的1 kV无屏蔽电缆作为测量线圈。为避免合闸时的暂态励磁电流误触发保护动作，速断整定值设定为600 A,延时0 s，过流整定值设定160 A，延时0.8 s。将油变轻瓦斯信号接6.3 kV开关的报警，重瓦斯信号接开关跳闸。

2.3 试验结果分析

秦一厂发电机硅钢片代号为Z10，厚度为0.35 mm，按厂家规定：磁通密度折算到1 T时的单位损耗应不大于0.8476 W/kg。铁芯最高齿温差折算到1 T时不超过15 K，铁芯最高温升折算到1 T时不超过25 K。此次传统铁耗试验总耗时5 d，铁芯励磁试验50 min，试验数据见表1。经校算，试验时磁通密度约为1.382 T，磁通量约为额定磁通量的87%。铁芯单位损耗和温升满足厂家要求。

表1 传统铁耗试验数据表

3 中压铁耗试验法

3.1 试验方案

2018年秦一厂第二次扩容改造进行发电机铁耗试验时，现场缺少合适的试验变压器作为试验电源，在听取同行建议后，采用直接将中压厂用电作为励磁电源的中压铁耗试验方法进行试验。详见图2。

图2 中压铁耗试验原理图

3.2 试验的参数计算与实施

秦一厂中压厂用电源为6.3 kV，通过公式(1)～(4)得出：励磁线圈的匝数W1：12匝；励磁电流I：115 A；测量线圈的匝数W2：1匝；估算测量线圈电压U2：525 V；铁耗试验时间t：60 min。励磁线圈采用1×120 mm2的10 kV无屏蔽电缆，测量线圈采用1×2.5 mm2的1 kV无屏蔽电缆。为避免试验合闸时暂态励磁电流和励磁涌流误触发保护动作，将6.3 kV试验电源开关的速断保护定值设定为1800 A，延时0 s；过流保护定值设定为400 A，延时0.3 s。

3.3 试验结果分析

此次中压铁耗试验总耗时2 d，铁芯励磁试验60 min，试验数据合格。试验数据见表2，经校算，试验时磁通密度为1.289T，磁通量约为额定磁通量的81%。铁芯单位损耗和温升满足厂家要求。

表2 中压铁耗试验数据表

4 ELCID试验法

4.1 试验方法

2019年，秦一厂在发电机扩容改造运行一个循环后进行解体大修时，为了检查发电机铁芯的状况，需再次进行一次铁耗试验。由于此次发电机大修工期较短，考虑到传统铁耗试验和中压铁耗试验的特点，电厂决定应用ELCID试验技术进行铁耗试验。

ELCID定子铁芯损耗试验原理：为定子铁芯附加缠绕的励磁绕组通入很小的励磁电流，使定子铁芯内产生额定磁通4%的磁通量。当定子铁芯叠片间绝缘受损发生短路故障时，会与周向磁通形成一个闭合回路，感应出与励磁电流180°相位差的故障电流。试验人员在定子膛内推动chattock线圈(膛内没有挡风圈的机组可在不抽转子的工况下通过搭载在爬行小车上爬行)，使chattock线圈(承担建立试验磁场和测量励磁电流功能)在定子膛内沿铁芯线槽滑动。同时，为了覆盖铁芯所有的内表面，每次一个中间的槽及相邻两个铁齿进行检查(如图3所示)。chattock线圈固定于每两个相邻槽的边缘，主机接chattock线圈信号后，利用信号处理处理器与采自励磁电流的参考信号进行对比分析，以故障电流(通过信号处理器从励磁电流中分解获得)的大小及相位来判断铁芯是否有故障。

图3 chattock线圈原理图

图4 ELCID试验原理图

4.2 试验参数计算

由于ELCID试验只需给铁芯施加4%额定磁通，因此ELCID铁芯试验需要的励磁电流、励磁电压只有发电机正常运行时的4%。[2]

ELCID试验时的励磁电压

(5)

式中：K——节距因数(取0.92)；

tp——每相匝数。(注：试验时按照试验指导书建议，将励磁电压U1设定为26.5 V)

利用公式(2)，估算出励磁线圈W1为1匝时，励磁电流I约为60 A。

ELCID试验电源容量

S=KSUrI=1.77 kVA

(6)

式中：KS——电源容量系数，一般取1.1。

4.3 试验结果分析

通过ELCID仪器对发电机定子全部线槽及端部阶梯部位进行了测量,故障电流均小于100 mA。此次ELCID试验总耗时0.5 d，铁芯励磁时间180 min。经校算，ELCID试验的励磁电压U1为26.5 V，实际磁通密度B约为0.064 T，实际磁通是额定磁通的4%。

5 结论

通过3种铁耗试验案例对比分析得到表3：三种铁耗试验方案特点对照表。

表3 三种铁耗试验方案特点对照表

对比发现：ELCID定子铁耗试验的试验仪器小巧便携，人力投入少，试验时的磁通量仅有额定磁通的4%，对发电机定子铁芯无损，还能作为故障探测手段对故障精确定位；目前，该技术已发展到将激磁和测量装置小型化处理并搭载在自动爬行小车上，在定子膛内无挡风圈的机组可实现不抽转子检查铁芯状态，比传统铁耗试验方案和中压铁耗试验方案更符合如今发电机定子铁芯检查。