浅谈水轮发电机组 6kV定子铁损试验的应用

浅谈水轮发电机组 6kV定子铁损试验的应用

赵杉

（中国水利水电第十工程局有限公司 机电安装分局 四川都江堰 611830）

摘 要：大中型水轮发电机组定子，因外形尺寸大，受运输条件的限制，定子只能运输到工地现场进行机座组装、铁芯叠装、磁化试验和定子线圈嵌装等组装试验工作。其中，定子铁损试验是检查定子铁芯绝缘情况和铁芯叠装质量的重要环节和手段。本文结合老挝XPXN水电站定子铁损试验，从试验参数计算、试验过程及注意事项等方面对6kV定子铁损试验方法进行分析。

关键词：水轮发电机组；定子铁损；6kV励磁电压；铁芯磁化

1. 引言

由于工程前期现场条件较难易满足大型试验实施，故需要成熟优化后的试验方法。采用6kV励磁电压进行定子铁损试验,可以一定程度的减少现场试验设备布置难度和场地占用要求，更主要的可以减小励磁电流，实现励磁电缆对定子铁芯有效缠绕。例如:主厂房安装间较小受到场地占用要求限制，以及励磁电流较大，励磁电缆难以缠绕。通过实践证明，使用6kV励磁电压进行定子铁损试验，能有效的减少励磁电缆截面积，实现励磁电缆对定子铁芯的有效缠绕，同时成套试验设备的集装箱也能减少对场地的占用。

2. 工程概况

老挝XPXN水电站位于老挝南部占巴塞省波罗高原，距阿速坡市 12.5KM。电站装机三台单机容量126MW立轴混流式水轮发电机组和一台单机容量为42MW卧式冲击式机组，立轴混流式水轮发电机组水头689.6m、额定转速600r/min，是目前亚洲最高水头的立轴混流式水轮发电机组之一。发电机组主要结构参数如表1。

表1：机组主要结构参数

3. 试验基本原理

在叠装完成整体压紧后的发电机定子铁芯上缠绕励磁绕组，绕组中通入工频电流，使之在铁芯内部产生接近饱合状态的交变磁通，取激磁磁感应强度约为1T左右，铁芯在交变磁场作用下产生涡流和磁滞损耗，使铁芯发热。同时，如果铁芯中片间绝缘受损或劣化，这部份铁芯将产生较大的局部涡流，温度急剧上升，从而找出过热点。试验中用红外线测温枪或酒精温度计测量定子铁芯上、下齿压板及定子机座的温度，计算出温升和温差；在铁芯上缠绕测量绕组，测量其感应电压，计算出铁芯中不同时刻的磁感应强度，并根据测得的励磁电流、电压计算出铁芯的有功损耗。最终，根据定子铁芯的温升来判断定子铁芯质量。

4. 试验标准

根据《发电机定子铁芯磁化试验导则》GBT20835-2016要求，试验时间为90min，试验磁通为1.0～1.1T，铁芯各部的最高温升不超过25K，相互间最大温差不超过15K（为折算到1T时的数值），定子铁损应符合制造厂规定。

5. 试验相关参数计算

5.1 定子铁芯基本参数

定子铁芯总长度L₁=229.8cm;定子铁芯的齿高（槽深）h_c=16.41cm;定子铁芯的内径D₂=365cm;定子铁芯的外径D₁=480cm;定子铁芯通风沟数量n =63个;定子铁芯通风沟宽度： b =0.6cm

5.2 定子铁损试验参数

励磁电压E₁ =6Kv;试验磁通密度B =1T;定子铁芯比重ρ=7.8t/m³（由厂家提供）;铁芯叠压系数K =0.94

5.3 定子铁芯轭部截面积：

Q=Lh=K(L₁-nb)h;其中迭压系数K=0.94

铁芯有效长度 L=K（L₁-nb）=0.94×(229.8-63×0.6)=180.48cm

铁芯轭部高度 h=（D₁-D₂）/2-h_c=(480-365)÷2-16.41=41.09cm

Q=180.48×41.09/100=7415.9232cm²=0.7416m²

5.4 励磁线圈匝数：

W₁= U1/(4.44fQB)=6000÷(4.44×50×0.7416×1)= 36.44，取36匝

式中U－励磁电压（V）;Q－轭部截面积（m²）;f－电源频率（Hz）;B－轭部磁通（1T）

5.5 励磁线圈电流：

I =π（D₁-h）H/ W₁= π×（480-41.09）×1.6÷36=72.77(A)；H--励磁强度（A/m）, 取1.9（厂家提供）

5.6 试验容量

S=K_S UI =1.1×1.732×6×72.77=831.85KVA;K_S--电源容量系数，一般取1.1

5.7 励磁绕组电缆截面：

电缆载流量按每3A/mm²计算，计算电缆截面积需72.77/3=24.2mm²，根据现场条件，选用1根25mm²的10kV高压铜芯软电缆作为磁化试验的励磁电缆。

5.8 测量线圈感应电压：

测量绕组W₂选1匝，测量绕组电压U₂=U₁×(W₂/W₁)=6000×(1/36)=166.67V

5.9 铁轭重量：

G =π（D₁-h）Qρ=π×(4.8-0.419)×0.7416×7.8= 79.75765（t）=79757.65(kg)

6. 试验设备的选择

6.1 励磁线圈匝数和截面面积

根据计算励磁线圈为36匝，磁化试验励磁线圈电缆选用一根25 mm²的10kV高压软电缆，单根长度为3.68×2+1.2×2=9.6m，36匝约等于400m。

6.2 高压开关柜选择

根据计算试验电流为72.77A，按照大于试验容量的130%选择高压开关柜，即分断能力大于72.77×1.3=94.6A，选择100～150A的真空断路器。

6.3 施工电源选择

试验电源取自进场交通道施工变压器高压侧，根据计算试验容量为831.85KVA。

6.4 保护定值整定

过流保护时间1s，过流倍数1.15倍，即72.77×1.5=109.155A；速断保护时间0s，速断倍数整定为6倍，即72.77×6=436.62A。

7. 试验设备接线及试验准备

U1--励磁电压测量电压表；U21、U22--感应电压测量电压表；A--励磁电流测量电流表；W--低功率因素瓦特表；DL--断路器；PT--电压互感器；CT--电流互感器

7.1 试验前的检查准备：

对定子各部位进行彻底的清扫，全检查机座和铁芯，移走所有与试验无关的设备；检查通风沟、上下端部位置、各环板间；保证各处无残留金属物件；完成紧固并检查定子铁芯所有拉杆螺丝等全部机械工作；用铜芯线将定子铁芯（机座上）可靠地一点接地。

7.2 缠绕励磁绕组：

定子紧压结束,具备铁损试验条件后，可缠绕励磁绕组，为使磁通密度分布均匀，在定子铁芯上按相同方向、均匀缠绕励磁线圈。励磁线圈缠绕时，应绕定子有效铁芯，在铁芯和机座棱角处用绝缘隔离绕励磁电缆，并用扎带固定在电缆上。测量线圈应绕在与励磁线圈成90°或者在相邻两组励磁线圈平分的位置，其匝数根据电压表要求决定。缠绕线圈时，电缆要拉紧并贴在铁芯齿表面,不得放在线槽内，棱角处需加垫橡皮保护。

7.3 缠绕测量绕组：

测量线圈选择1匝,缠绕在任两个励磁绕组的中间部位,缠绕时线要拉紧，测量线圈放在线槽内，贴紧槽底。测量绕组包绕定子有效铁芯，不包绕机座，棱处加垫橡皮保护。

7.4 温度计布置：

按定子圆周均分布置测温点8处，每处布置上、中、下三点，其中上测点和下测点为齿部，中测点为槽底，共计24个测点试验时用红外线测温枪定时测量各点温度并同时用红外热成像仪监控，并作好记录。

7.5 设备及表计接线：

按图接好绕组线和测量线,用l000V兆欧表测量其绝缘不低于5ΜΩ。

8. 试验过程

1. 试验现场需要设置安全警械围栏和警示标志，无关人员不得靠近。

2. 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指挥进行。

(2) 检查试验接线的正确性，检查励磁电缆、测量电线的绝缘，绝缘值应大于5 MΩ。

(3) 关闭所有可能照射到定子铁芯上的照明。

(4) 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。

(5) 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。

(6) 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。

(7) 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。

(8) 铁损试验完成并合格后，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。

9. 试验数据收集整理分析

(1) 试验时铁损及温度值折算至10000 Gs。

(2) 铁芯的最大温升和温差应符合制造厂家要求，一般温升不应超过25K，相互之间最大差值不超过15K，否则铁芯应拆除重装。

(3) 单位铁损应符合制造厂家的规定。

(4) 检查定子铁芯压紧螺栓应无松动现象。

(5) 定子铁芯应无振动、噪音、冒烟、放电等异常情况。

(6) 试验时应在制造厂家现场技术人员指导和监督下进行。

表2：1#机定子铁损试验数据

10. 结语

水轮发电机定子铁损试验主要用于检验定子铁芯的装配质量，是水轮发电机最重要的电气试验之一，其试验计算相对复杂，试验中需要注意的问题较多，只有正确地分析、检查试验方法，才能保证试验数据的准确性和可靠性。6kV定子铁损试验在实施中具有简便灵活、现场条件易满足的特点。同时，试验实施时有其高效、安全的优越性能。本文结合老挝XPXN水电站工程首台机定子铁损试验采用6kV励磁电压定子铁损试验的背景、参数计算和试验方法及原理，对试验数据和理论计算数据进行各种分析。实践证明，在大型机组定子铁损试验项目中采用6kV定子铁损试验有效避免了大中型水轮发电机组定子几何结构尺寸大，采用常规400V交流电源进行磁化试验带来的励磁电流大、难以实施对励磁绕组缠绕的困难得到了解决，而且可以简化施工设备，节约人力，特别是用红外线成像仪进行温度监测，能够实时记录温度变化过程并分析温升及温差变化情况，提高了施工安全。通过定子铁损试验，铁芯、机座环板、拉紧螺杆、齿压板、通风槽等均无异常现象，表明采用6kV工频交流电源进行铁损试验的工艺是合理有效的，在大中型水轮发电机组安装中对几何尺寸较大的定子磁化试验，值得推广应用。

作者简介：赵 杉（1992-），男，四川达州人，助理工程师，从事建设工程施工技术与管理工作。

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