变频电源在大型机组定子磁化试验中的应用

张应超，闫 晨

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

1 概述

随着机组容量的不断扩大，国内大中型水电站定子均采用现场组装方式，发电机定子铁心作为发电机的一个重要大型部件，它由硅钢片叠片组装而成。在发电机定子铁心结束组装后，需要对发电机定子铁心进行相关的磁化试验，检查发电机定子铁心的温度是否存在异常，单位铁心损耗是否在规定的范围内，从而综合判断定子铁心是否存在缺陷，比如：在进行交接时、局部或者全部局部修理结束时、或者在运行过程中发电机定子铁心状态出现不确定因素时。

发电机定子铁心损耗试验是检验发电机定子铁心装配质量的重要工序，也是检查铁心绝缘情况的有效方法。若铁心内有短路存在现象，在交变磁通通过时，会使涡流损失增大，局部过热，加速铁心绝缘和定子线圈绝缘老化，严重时可造成铁心绕组烧伤和线棒击穿。

当前发电机定子铁心磁化试验，试验电源一般采用50 Hz工频电源，试验电源电压的选择根据机组容量大小、定子基本技术参数及现场现有电源等因素来确定。对于大型发电机组而言，定子铁心固有频率与试验电源频率相近时，试验时会产生异常震动或共振，给定子造成不同程度的损伤。定子铁心固有频率是无法改变的，只有通过改变电源频率或降低磁通密度的方式来进行常规磁化试验。

天津TOK项目单机容量355 MW，额定电压15.75 kV，采用10 kV电源后端衔接变频电源的方式进行定子铁心的磁化试验。试验人员根据外方业主提出的要求，制定了切实可行的试验方案，通过试验前多方面的细致周密准备，保证了试验工作的顺利进行。

2 磁化试验的原理

发电机定子铁心叠装完成后，遵循GB/T 20835《发电机定子铁心磁化试验导则》的要求进行常规磁化试验[1]。通过缠绕励磁线圈，线圈中通入交流电流，使之在铁心内部产生接近饱和状态的交变磁通使铁心磁化，从而在铁心中产生涡流和磁滞损耗，使铁心发热。如果铁心中片间存在绝缘受损或者劣化部分将产生较大的涡流，温度升高更快。

通过预先埋设的热电偶或热成像仪测量铁心、上下压板及定子机座的温度，计算出温升和温差。同时用红外线测温仪查找局部过热点及辅助测温；在铁心上缠绕测量绕组，测量其感应电压，计算出铁心总的有功损耗，最后根据测试结果与设计要求比较，判断定子铁心的制造、安装质量。

3 磁化试验参数计算

以天津TOK项目定子铁心磁化试验为例，试验参数计算如下（试验电源按照工频方式来计算）：

（1）铁心有效高度计算

（2）铁心轭部宽度计算

（3）铁心截面积计算

（4）励磁线圈匝数计算

根据计算结果，按照1.3 T时激磁线圈取50匝，按照1.2 T时激磁线圈取55匝。（依据现场实际情况调整）

（5）励磁绕组电流（激磁绕组取50匝时）

激磁绕组取55匝时

（6）电源容量

激磁绕组取50匝时所需电源容量：

激磁绕组取55匝时所需电源容量：

（7）测量线圈取W2=2匝，测量电压

激磁绕组取50匝时

激磁绕组取55匝时

励磁线圈导线的选择：按4 A/mm2载流量计算，所需励磁电缆芯线截面积为268.96÷4=67.24 mm2，选1根95 mm2的橡套绝缘铜芯软电缆缠绕（实际载流量为2.81 A/mm2），长度约为760 m。

4 试验前准备工作

（1）定子检查

检查所有铁心螺栓均在规定的紧固力矩下；检查定子内、通风槽沟内、上下端部等处不应有铁磁性物质遗留；用空压机气体清扫吹除定子内外、沟槽等处的灰尘和杂质；检查确认定子机架与基础支墩可靠固定；检查定子铁心是否可靠接地。

（2）定子测试电源整套装置检查

高压开关柜、降压变压器、变频器柜及升压变压器等设备已安装调试完成，并已安全接地。

（3）缠绕励磁线圈

定子铁心压紧并经过外观检查和几何尺寸测量合格后，即具备铁损试验条件。可以缠绕激磁绕组。为降低由于磁密不均匀所导致试验和测量误差，将定子分为50个区域，在每个区域内用95 mm2橡套绝缘铜芯软电缆紧密缠绕。缠绕激磁线圈时尽量使所有缆线紧绕在铁心上，避免缆线进入线槽内，经过棱角之处需加橡胶板进行保护。

（4）缠绕测量线圈

测量绕组用1根6 mm2橡套绝缘铜芯软电缆用同样方法在定子铁心上两激磁绕组区域中间位置缠绕2圈。线圈紧放槽底，并包绕定子有效铁心，不包绕定子机座，棱角处垫橡胶板保护。

图1 励磁绕组分部缠绕

（5）仪器、仪表连接

按照图纸示意进行仪表、电源连接，并检查接线正确性。特别注意测量仪表与线圈极性应正确。全部连线完毕后，用500 V兆欧表测量激磁绕组、测量绕组等回路绝缘电阻。

（6）温度计布置

使用红外线测温枪及红外线热成像仪进行温度监测。

图2 热成像仪温度监测

5 试验步骤

（1）先对定子铁心实施磁通1.3 T时的接线方式；

（2）检查各部位接线及绕线与设备连接，必须依照方案严格执行；

（3）对激磁绕组及高压部分进行绝缘检测，对整个激磁绕组电缆进行直流泄露检测；

（4）操作人员、记录人员、监视人员固定专人专位，按照数据记录表格作好初始数据记录；

（5）再次确认电缆连接和设备连接正确后，合上高压开关柜断路器，变频器带电，准备就绪。启动变频器先输出一个低电压（观测各表计数值的同时注意各部位状况，如有问题立刻断开电源）记录完数据后停变频器，对记录数据进行分析是否符合要求，如数据满足要求可继续进行测试，试验频率从45 Hz到70 Hz，查找发电机定子的固有频率，正式进行试验所采用的试验电源要躲过发电机定子的固有频率，本台定子的固有频率为50 Hz左右，所以本台发电机定子磁化试验频率采用45 Hz；

（6）正式进入测试时，合上高压开关断路器，观察定子铁心振动状况，全面检查定子铁心各部状况，当出现冒烟、火花、严重异常响声时，应立即停电检查；

（7）试验过程中以每5 min为限记录标记部位温度。用红外成像仪检测各部位发热情况，如果有过热处，应当特别观察并做好记录，如出现温度大于规范要求温度，应迅速断开电源；

（8）试验进行60 min，每隔5 min记录一次温度数值和各测量表计数值；

（9） 60 min的试验正常后，断开电源，检查定子机座焊缝、定位筋与机座各焊缝应无裂纹，螺杆应无松动，拆除试验连线及激磁绕组、测量绕组等缆线，清除定子铁心机座等灰尘杂质。

6 试验数据处理

（1）单位铁损的计算

1）试验时的实际磁通密度

2）折算到1T时的单位铁损

（2）最高齿温差的换算

δt=（△tmax-△tmix）×（1/B）2（℃）

（3）最高铁心温升的换算

△tmax=（t1-t0）×（1/B）2（℃）

（4）判断标准

在铁心试验发生下列情况之一者，即认为铁心不合格。

1）在60 min的试验中，铁心齿的最高温（△tmax）不超过25 ℃。

2）在60 min的试验中，各棱齿间的最大温差（δt）不超过15 ℃。

3）经过计算得到的单位铁损（P1）应不大于厂家技术要求。

7 变频定子测试电源

由于定子铁心固有频率是无法改变的，只有通过改变电源频率或降低磁通密度的方式来进行常规磁化试验。

KFS系列定子测试电源，以微处理器为核心，采用PWM方式产生正弦波、脉宽调制技术，实现可模拟输出不同电压等级、频率，可满足各行业所带负载的需求。电源通过隔离变压器输出，稳定性强，具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简单、体积小、重量轻等特点，具有完善的短路、过流、过压、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。

定子测试源可以为进口电气设备进行变压、变频测试及供电而设计制造的，能提供世界各国标准电网电压及频率，输出电压（0~1 000 V）、频率（40~70 Hz）无级数字可调电压，波形稳定纯净，消除电网干扰，适用于电器产品变压、变频测试；实验室、计量室等各种精密测试。

8 定子测试源原理

（1）定子测试源主回路

定子测试源的主回路采用典型的交-直-交电压源性拓步结构。由隔离转向开关、整流电路、逆变电路、预充电电路、正弦滤波器等构成。

交-直-交变频电路的工作原理：将三相不可调交流电经全波整流电路整流成直流电，然后又经逆变电路“逆变”成频率和电压均可调的三相交流电，交流电经过正弦波滤波器，输出标准的正弦交流电压。在定子测试源的输入和输出之间，经历了“交流-直流-交流”的过程。

（2）定子测试源控制回路

控制回路发出各种指令以使定子测试源有不同的响应和动作。控制回路包括主控板、母板、驱动板、采样板等。

主控板和母板控制着整个定子测试源的运作，通过中央处理器发出各种工作信号、警示信号、运行指令、保护指令，以使定子测试源实现各种功能。采样板采集电压信号，便于液晶屏显示。驱动板收到CPU的驱动信号后，开始驱动，以使IGBT实现逆变效果。显示分为待机参数显示、运行数据显示、故障、保护显示。在待机状态下查找参数，在运行状态下，显示各种运行数据，如频率、电流、电压，当变频器故障时显示保护参数。

（3）定子测试源工作特点

1）有两种启动方式可选择：变频软启动和直流启动。

2）电源过电压保护。变频器对直流母线电压进行实时监测，一旦电源电压超过额定电压的10%，定子测试源立即进行保护。

3）欠压保护。当电源电压太低、电源瞬时停电、电网容量太小或网内有较大的冲击电流时，定子测试源立即进行保护。

4）过载保护。当负载过大，使逆变器输出电流超过保护值，且持续流通时间达规定的时间上限时，为了防止逆变器元件、电线等损坏，定子测试源会停止运转。

5）过热保护。因为环境温度过高，冷却风扇不运转或载波频率过大，都会使定子测试源在运行过程中能量损耗和散热通风不畅。而定子测试源内装的风扇是箱体内部散热的主要手段，它将保证控制回路电路正常工作。

6）定子测试源的调频范围广，频率连续可调，启动时间连续可调。

9 结语

通过本项目的研究，总结出完整的、有效的、适合大型机组定子磁化试验采用变频电源方式进行试验的经验。对于试验过程中出现的问题，周密的分析，提出科学的解决方法。本次实践为国内少见的在大型机组定子磁化试验采用变频电源进行调节频率和电压，为大型发电工程类似项目提供参考资料。为大型水轮发电机组磁化过程中共振问题的解决提供思路。