中小型水轮发电机定子铁损现场试验

聂文宝

摘要：中小型水轮发电机定子受运输尺寸及重量等的限制， 其机座需分瓣制造并分瓣运输至工地现场进行组圆。定子机座组装焊接完毕后需进行定子铁芯叠装， 定子铁芯由薄硅钢片现场叠装而成。在铁芯硅钢片的制造及现场叠装过程中， 可能存在的片间绝缘损坏会造成片间短路及铁芯叠装系数不满足要求， 从而在运行中会出现由片间短路引起的局部过热或由铁芯叠装压紧度不够引起的铁损值超过设计和规范允许值的情况， 进而影响机组性能甚至威胁到机组的安全运行。因此， 在定子铁芯组装完毕后， 必须进行铁心磁化试验， 以检查铁芯片间绝缘及铁芯叠装质量是否满足规范及设计要求。

关键词：中小型;水轮发电机;定子铁损

1 试验方法及基本原理

铁心磁化试验方法：在叠装好的发电机定子铁芯上缠绕励磁绕组后， 往励磁绕组中通入交流电流， 使定子铁芯内部产生接近饱和状态的交变磁通， 此时铁芯中会出现涡流和磁滞损耗， 使铁芯发热。同时， 在定子铁芯上缠绕测量绕组， 通过测量绕组感应电压可计算出实际的铁芯磁通量;若铁芯中片间绝缘受损或劣化， 则该部分会产生较大涡流， 温度会很快升高。用埋设的热电偶测量铁芯及定子机座的温度， 计算出温升和温差;用红外线测温仪查找局部过热点并进行辅助测温;根据测量结果计算出铁芯总的有功损耗及单位重量损耗， 并与设计要求作比较， 以判断定子铁芯的制造、叠装质量。

2 试验前的计算

2.1 励磁线圈匝数W1计算

感應电动势有效值E=4.44fWBS， 因励磁电源电压U1与励磁绕组感应电动势E相等， 故E=U1=4.44fWBS， 即W1=U1/4.44fBS。规范要求铁芯磁通密度B为1T， 工频电源频率f为50Hz， 因此在已知铁芯截面积S的情况下， 可计算出励磁线圈W1。

定子铁芯典型断面如图1所示。L为定子铁芯有效高度， m;ha为定子铁芯轭部宽度， m;K为定子铁芯压紧系数， 硅钢片间用漆绝缘的取0.93～0.95， 用纸绝缘的取0.9;h为定子铁芯总高度， m;d1为定子铁芯内径， m;d2为定子铁芯外径， m;b为定子铁芯通风槽宽度， m;n为定子铁芯通风沟层数， m;h1为定子铁芯槽深， m。定子铁芯截面积S=Lha， 其中， L=K （h-nb） ， ha= （d2-d1） /2-h1

2.2 励磁线圈电流I及电源容量P计算

根据磁势平衡原理IW1=HLav， 励磁线圈电流I=HLav/W1=Hπ （d2-ha） /W1。其中， Lav为定子铁芯平均周长， Lav=π （d2-ha） ;H为磁场强度， 磁通密度在1T时， 电机硅钢片取 （1.7～2.15） ×102安匝/m。

电源容量。其中， U1为励磁电源电压;I为励磁线圈电流。

2.3 测量线圈匝数W2计算

根据变比公式U1/U2=W1/W2， 计算测量线圈匝数W2=U2W1/U1。其中， U2为测量线圈电压， 应使其在所选电压表量程的1/3～3/4范围内。

3 试验接线及设备仪器选择

根据试验前计算确定的励磁线圈匝数、励磁线圈电流以及所采用的励磁电源电压， 计算需要的励磁线圈总长及选择励磁电缆规格型号;根据计算确定所需的励磁电源容量， 选择所需的励磁电源设备;根据试验接线图及试验前计算数据选择相应规格型号的测量仪器。励磁电源一般采用工地现场10kV施工电源。https：//kns.cnki.net/KXReader/Detail/GetImg？filename=images/DGJY201407023_17900.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldSdmVqelcxUzhJV2FFK2s3d2xkcXhyb3pWTDlpM0p2Yz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw！！

4 温度测量

GB8564规范对定子铁心磁化试验中铁芯温升及相互间温差， 铁芯与机座间温差均有明确要求。温度测量仪器一般选用酒精温度计， 温度计测温端应紧贴测温点， 并用石棉绒或石棉泥做好保温。测量过程中， 应用埋入定子铁芯的酒精温度计监视温度。手持式红外线点式测温计跟踪测量， 及时发现高温点并重点监控， 以作为温度测量的校验数据。

圆周4个方位均布置铁芯齿端测点、磁轭背部测点、定子机座测点。其中铁芯齿端、磁轭背部每个方位上中下均布置测点， 定子机座每个方位上下齿压板各布置1个， 总测温点数为32个。

酒精温度计按圆周方向在4个方位均匀布置铁芯齿端测点、磁轭背部测点、定子机座测点。其中， 铁芯齿端、磁轭背部每个方位上中下各布置1个测温点， 定子机座每个方位上下齿压板各布置1个测温点， 总测温点数为32个。对每个测温点进行编号， 按对应编号记录数据。

5 试验过程

5.1 试验前准备工作

试验前， 监理工程师应完成对试验方案的审查批准， 对试验仪器、设备的检查， 对试验人员资质的审查批准， 在此基础上， 还应重点检查以下内容。

（1） 核查确认定子铁芯叠装完成并验收通过， 穿心拉杆绝缘合格， 拉紧力符合设计要求。

（2） 全面检查定子机座和铁芯的清洁情况， 确保定子机座及铁芯内部 （通风槽内） 等无金属异物。

（3） 定子铁芯叠装过程中取出所有的槽样棒及槽楔样棒。

（4） 用截面积不小于70mm2的铜编织线将定子机座可靠接地。

（5） 检查试验设备、仪器、仪表已准备到位并满足试验要求。

（6） 检查供电电源已具备试验条件。

（7） 布置好试验仪器仪表台， 准备好试验记录表格。

（8） 在定子铁芯上按相同方向缠绕励磁线圈， 由于试验期间可能需要变更绕组数， 因此励磁电缆长度需留有缠绕定子铁芯2圈的余量。在制作高压电缆头后， 励磁电缆绝缘试验需合格。

（9） 中小型水轮发电机定子铁心磁化试验一般在定子吊入机坑后进行， 励磁电源取自厂用10kV系统或施工用10kV系统。在机旁需布置10kV高压开关柜， 高压开关柜需经调试、试验合格， 不带负荷分合闸操作3次正常。

（10） 按试验方案中的测温装置布置要求安装测温计。

（11） 为了检查铁芯磁场是否均匀， 在铁芯180°方向对称布置2组测量线圈。测量线圈用2.5mm2塑料绝缘导线， 按照试验接线图缠绕于定子铁芯上并引接至测量仪表。

（12） 按试验接线图接线， 并确保正确。

5.2 试验步骤

（1） 试验操作人员、试验监测人员全部就位， 试验应在总指挥的统一口令下进行。

（2） 关闭所有可能照射到定子铁芯上的照明。

（3） 预合试验用断路器给铁芯励磁， 观察铁芯及测量表计有无异常， 然后分断断路器。

（4） 各部位正常后， 记录各表计的初始值， 合上试验用断路器， 同时开始计时。

（5） 每隔10min记录1次各表计读数， 并用红外测温仪随时监测各部位温度， 找出高温区进行重点监测。

（6） 整个试验持续90min， 试验结束后， 撤除、退场试验设备， 并清理试验区域。

（7） 铁心磁化试验完成并合格后， 重新检查拉紧螺杆力矩， 若力矩减小， 则重新拧紧拉紧螺杆， 直到每根拉紧螺杆受力达到厂家要求。

结束语

发电机定子铁心磁化试验过程中， 利用红外线热成像仪进行温度监测及分析计算， 目前已得到一定的推广。红外线热成像仪能够使铁芯温度监测由点式监测转变为一定范围的面式监测， 能够实时记录温度变化过程并分析温升及温差变化情况。

参考文献

[1]王正茂， 阎治安， 崔新艺， 等.电机学[M].西安：西安交通大学出版社， 2000

[2]GB8564—2003水輪发电机组安装技术规范[S]

[3]GB/T20835-2007发电机定子铁心磁化实验导则[S]

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