铁心异常时基于异频电流激励法的定子铁心损耗试验分析

盛明珺,王晓兰,刘守豹,徐 铬,宋佳骏,胡思宇

(1.大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530007；2.中国长江电力股份有限公司技术研究中心，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

发电机定子铁心是发电机的重要组成部分，定子铁心是由硅钢片叠合组装成的，由制造和检修出现的问题，以及运行中出现的正常损耗，均可能导致铁心的片间绝缘损坏，造成短路，在短路区域形成局部过热的情况[1-6]。根据统计，由定子绕组绝缘破坏带来的绕组短路故障占发电机实际运行中故障总数的30%～40%[7-8]。因此，为了保障运行安全，在进行交接或预防性试验时均要进行定子铁心损耗试验[9-13]。

传统的试验方式是基于工频大电流激励法进行的，在定子铁心上缠绕激励线圈，并在线圈中通入工频电流，激励电流大小根据绕线匝数有所不同，但是总体来看发电机容量越大，需要的激励电流越大。此时，铁心内部会产生交变磁通，铁心在交变磁通中产生涡流和磁滞损耗，铁心发热，温度会快速升高[14-18]。若铁心中片间绝缘受损或劣化，劣化部分会产生较大的局部涡流，温度快速上升，从而找出过热点[19]。试验时在铁心上缠绕测量绕组，测出铁心中不同时刻的磁感应强度，并根据测得的励磁电流、电压计算出铁心的有功损耗[20-22]。把测量、计算结果与设计要求相比较，来判断定子铁心的制造、安装整体质量。

由于发电机容量越大，需要的励磁电流越大，试验时的绕线工作就变得十分艰难。为了降低发电机定子铁心损耗试验的工作难度，本文提出通过增加激励电流频率提高铁心感应涡流幅值，从而采用异频小电流取代工频大电流的替代方案。为了对该方法的可行性进行研究，本文采用有限元仿真的方式，建立铁心存在缺陷情况下的分析模型，通过对工频大电流和异频小电流下的异常铁心发热情况进行分析，验证了采用异频小电流在铁心异常情况下的仿真结果与工频大电流存在相似性，论证了采用异频电流法开展发电机定子铁心损耗试验的可行性。

1 理论分析

根据法拉第电磁感应定律，变化磁场中感应电动势的计算公式为

(1)

式中：e为感应电动势；N为线圈匝数；Φ为磁通量；t为时间。

假设磁通量Φ随着时间按照正弦规律变化，即有：

Φ=Φmsinωt

(2)

式中：Φm为主磁通的最大值;ω为角频率。

将式(2)代入式(1)得到：

e=-NωΦmcosωt

(3)

感应电动势e的最大值为

Em=NΦmω

(4)

其有效值为

(5)

式中：f为激励电源频率。

式(5)的近似计算公式为

E=4.44fNΦm

(6)

Φm的磁路表达式为

(7)

式中：I为励磁电流；Rm为磁路的磁阻。

因此式(6)可改写为

(8)

在发电机定子铁心中，如果感应电流在微小回路的电阻为R，其发热量P的计算式为

(9)

由此可见，采用交变磁场对定子铁心进行加热，在试验对象及空间材料保持不变的前提下，铁心发热量与激励线圈匝数、激励电流频率、激励电流幅值的平方成正比。

因此，从理论上讲，在保持定子铁心发热量不变的情况下，通过增加励磁电流的频率，可以减小电流幅值，从而减小励磁线圈的截面积和质量。

2 方案设计

图1 仿真及实测试验方案设计图

根据相关理论，设计仿真模型，如图1所示。试验设计具体说明如下：

(1) 采用有限元仿真软件ANSYS Maxwell建立铁心缺陷情况下时变电磁场仿真模型。

(2) 采用工频大电流通过激励线圈，得到工频大电流下，异常铁心的磁通密度分布、涡流分布和发热量分布的仿真结果。

(3) 进一步地，增加电流频率，减小电流幅值，即在激励线圈中通入异频小电流，进行仿真及分析。

(4) 设置结果观察线及观察点，对仿真结果进行局部放大观察。

(5) 对比两种电流激励下的磁通密度、涡流、发热分布情况，检验其一致性和可行性。

(6) 进行规定环境变量下，工频试验。

(7) 进行规定环境变量下，异频试验。

(8) 对比铁心异常情况下两种激励下的电量信息及温升情况，验证异频电流开展铁心损耗试验的可行性。

3 仿真试验及分析

根据上述方案，进行缩比模型建立，进一步地进行仿真和实测试验，并对结果进行分析。

3.1 有限元仿真模型的建立

为了对铁心存在缺陷情况下异频小电流激励法与工频大电流激励法的相似性进行分析，采用有限元仿真软件ANSYS Maxwell建立时变电磁场仿真模型，对应的仿真模型如图2所示。

图2 仿真模型

图2(a)为模型的三维视图，模型的内直径7 mm，外直径10 mm，硅钢片厚度0.5 mm，硅钢片的片间距离0.2 mm，激励线圈直径0.4 mm，固定钢构厚度为0.2 mm。将缺陷部分放大如图2(b)所示，铁心缺陷为硅钢片间出现短路，其中固定钢构为导电导磁材料，其与硅钢片导通，连接中间、下层硅钢片的短路金属丝为铜质圆柱体，半径为0.01 mm。仿真结果的观察面如图2(c)所示，观察线位于中间硅钢片，由于铁心缺陷情况下场量变化更加剧烈，故将观察点的数量设置为1 000个。

3.2 仿真结果

进行仿真时，在激励线圈中通过50 Hz、13.68 A的工频大电流，仿真得到观察面上的场量分布情况如图3所示。由图3可知，中层和下层铁心在存在短路点的情况下，感应电流及发热区域均集中在短路导体与铁心的连接处。

进一步地，为了对铁心存在缺陷情况下采用异频小电流法进行测试有效性验证，在激励线圈中通入1 000 Hz、1.368 A的异频小电流，得到观察面上的场量结果如图4所示。由图4可知，在异频小电流作用下的磁通密度与工频大电流时的磁通密度差异较为明显，但是涡流、发热量分布情况较为类似，均在短路导体与铁心的连接处出现明显发热区域。

图3 铁心缺陷时工频大电流激励下的仿真结果

图4 铁心缺陷时异频小电流激励下的仿真结果

图6 涡流分布及其放大显示

3.3 仿真结果分析

为了对两种情况下的场量分布情况进行量化分析，激励电流幅值减小后观测线上场量分布于正常电流下的分布如图5～图7所示。图5为观察线上磁通密度分布情况；图6为观察线上的涡流分布情况，并对不同区间的观察点变化情况进行了放大显示；图7为观察线上的发热量分布情况，同样对不同区间的观察点进行了放大显示。

图5 磁通密度分布

图7 发热量分布及其放大显示

由图5～图7可知，铁心在短路点涡流分布和发热量均发生畸变，但是从整体分布趋势来看，缺陷铁心在通入工频大电流和异频小电流的情况下，除了磁通密度有较为明显的差异外，涡流分布和发热量分布均有较好的相似性。

3.4 试验及分析

为进一步验证采用异频电流法开展定子铁心损耗的可行性，开展试验测试。试验采用的具体参数如表1所示，发电机型号为M2BAX100LA4。

表1 发电机主要参数表

图8 测试设备及仪器

主要测试设备与仪器如图8所示。为模拟铁心异常情况，采用刀片将定子铁心端部的漆膜刮掉，通过焊锡将硅钢片人为短路，制造故障点。

试验时试验室温度24 ℃、湿度35%。在1.4 T磁场强度的情况下，激励线圈30匝，开展该发电机定子铁心损耗试验工频激励电压为4.2 V，激励电流为7.3 A。为了加快试验，将激励电压升高至20.4 V，激励电流22.0 A，发热有功功率为148.3 W。

试验结果如表2和表3所示。在定子铁心吸收有功功率相同的情况下，故障点与其他区域的温差明显，且这种差异在通电之初就表现出来。不同频率下持续通电15 min后的热成像图片如图9所示。由图9可知，在定子铁心吸收有功功率相同和频率不同时，最高温度点均位于人为制造的缺陷点处，表明采用异频电流激励法对于定子铁心短路缺陷点位的检测有效。

4 结 语

(1) 保持定子铁心发热量不变的情况下，通过增加励磁电流的频率，可以减小电流幅值，从而减小励磁线圈的截面积和质量。

(2) 存在短路点时，在激励线圈中通入工频大电流和异频小电流，均会在短路导体与铁心的连接处集中出现感应电流及发热区。

表2 铁心异常时工频激励下电特征参数及温升情况

表3 铁心异常时300 Hz激励下电特征参数及温升情况

图9 铁心异常情况下两种激励电流15 min热成像图

(3) 在铁心存在短路缺陷的情况下，采用异频小电流法开展发电机定子铁心损耗试验能够保证铁心发热分布与工频大电流激励时除了磁通密度分布存在明显差异外，在涡流分布和发热量分布上基本一致，理论上证明了异频小电流对工频大电流的可替代性。

(4) 在定子铁心吸收有功功率相同的情况下，故障点与其他区域的温差明显，且这种差异在通电之初就表现出来。在频率不同时，最高温度点均位于人为制造的缺陷点处，采用异频电流激励法对于定子铁心短路缺陷点位的检测效果确切。