基于ELCID的發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)

解 兵

(江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司，江蘇南京211103)

鐵芯是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主磁通隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種交變磁場(chǎng)在鐵芯中產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，使鐵芯溫度升高。如果鐵芯的片間絕緣損壞，就會(huì)造成鐵芯故障部位局部過熱，使得片間絕緣的進(jìn)一步損壞，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，在發(fā)電機(jī)交接試驗(yàn)、局部或全部更換定子繞組前后以及在發(fā)現(xiàn)定子鐵芯有損傷等缺陷時(shí)，必須對(duì)定子進(jìn)行鐵芯損耗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并處理鐵芯缺陷部位，避免故障擴(kuò)大化[1]。

隨著發(fā)電機(jī)容量越來越大，發(fā)電機(jī)鐵損試驗(yàn)所需的勵(lì)磁電源也越來越大，而且勵(lì)磁電纜的要求也越來越高，使得傳統(tǒng)的鐵芯損耗試驗(yàn)變得更加困難和難以實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代末，英國(guó)中央發(fā)電局研發(fā)了一種新的發(fā)電機(jī)定子鐵芯故障測(cè)試技術(shù)，即ELCID鐵芯試驗(yàn)，通過這些年來的研究，ELCID鐵芯試驗(yàn)已經(jīng)在試驗(yàn)中不斷地完善[2]。目前，ELCID試驗(yàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家一些大的電力生產(chǎn)和制造行業(yè)已得到較為廣泛的應(yīng)用；我國(guó)的發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家及部分電力試驗(yàn)單位也開始利用ELCID設(shè)備開展發(fā)電機(jī)鐵芯檢測(cè)工作，并取得了一些成績(jī)[3,4]。

1 ELCID鐵芯試驗(yàn)原理

ELCID使用常規(guī)的方法在發(fā)電機(jī)鐵芯中產(chǎn)生磁通，為了使鐵芯中的磁通盡量均勻，要求勵(lì)磁線圈從鐵芯中心沿軸向布置產(chǎn)生勵(lì)磁。ELCID的探頭采用Chattock電位計(jì)，Chattock電位計(jì)的工作原理如圖1所示。

根據(jù)全電流定律，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任一閉合回路的線積分，等于這個(gè)閉合回路所包圍的電流。即：閉合回路由鐵芯和空氣2部分組成，則：

圖1 Chattock電位計(jì)工作原理

由于鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率是空氣的幾千倍，式（2）可寫為：

用Chattock電位計(jì)探測(cè)鐵芯故障時(shí)，可測(cè)量出電位計(jì)測(cè)量端之間的感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)和電流的關(guān)系：

式（4）中：μ0為空氣中磁導(dǎo)率；ω為電流的角頻率；n為電位計(jì)單位長(zhǎng)度上的繞組匝數(shù)；A為電位計(jì)繞組的橫截面積；k為電位計(jì)參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。

由于式（4）中的 μ0為常數(shù)，n，A，ω 是與電位計(jì)有關(guān)的常數(shù)，k只與電位計(jì)參數(shù)有關(guān)，因此Chattock電位計(jì)的感應(yīng)電壓只與電流的大小成正比。當(dāng)鐵芯片間絕緣損傷后，交變的磁通就會(huì)感應(yīng)出故障電流，如圖2所示。

圖2 故障電流產(chǎn)生原理

由于鐵芯片間短路產(chǎn)生的故障電流要遠(yuǎn)小于產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流，因此，ELCID測(cè)試儀將Chattock電位計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)中勵(lì)磁電流產(chǎn)生的分量作為主要分量，稱為直軸量。故障電流、勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通以及故障電流產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)交軸量的相位關(guān)系如圖3所示。故障電流與直軸量之間有一定角度，將故障電流產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分成交軸量和直軸量2個(gè)部分，通過比較分析感應(yīng)電勢(shì)的交軸分量的大小，可以確定是否存在片間短路。

圖3 故障電流與主磁通的向量關(guān)系

ELCID測(cè)試儀中Chattock電位計(jì)測(cè)試的感應(yīng)電勢(shì)以電流的形式表示，并且規(guī)定，當(dāng)施加4%額定磁通時(shí)，如果感應(yīng)電勢(shì)的交軸分量的絕對(duì)值超過100 mA，則可能存在片間絕緣故障。

2 ELCID鐵芯試驗(yàn)方法

2.1 ELCID鐵芯測(cè)試系統(tǒng)勵(lì)磁電源的確定

根據(jù)ELCID測(cè)試儀的要求[5]，試驗(yàn)時(shí)，需要給鐵芯施加的勵(lì)磁磁通為其額定磁通的4%，所以ELCID鐵芯試驗(yàn)所需的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流要比常規(guī)的鐵損試驗(yàn)小得多。發(fā)電機(jī)鐵芯的額定勵(lì)磁每圈所需的勵(lì)磁電壓計(jì)算公式為：

式(5)中：Ui為發(fā)電機(jī)額定線電壓；tp為每相串聯(lián)匝數(shù)，2tp則為每相導(dǎo)體根數(shù)；K為繞組系數(shù)，通常取K=0.92。

勵(lì)磁電流是由定子鐵芯磁導(dǎo)率決定的。經(jīng)驗(yàn)顯示，鐵芯周長(zhǎng)上每米需要3～10 A的勵(lì)磁電流，就能獲得4%的額定勵(lì)磁電壓，極端情況需要2～15 A。因此，ELCID鐵芯試驗(yàn)系統(tǒng)所需要的勵(lì)磁電源容量應(yīng)為：

式（6）中：I為試驗(yàn)時(shí)通過鐵芯的總安匝數(shù)。

2.2 ELCID鐵芯試驗(yàn)接線

ELCID鐵芯試驗(yàn)接線如圖4所示。

圖4 ELCID鐵芯試驗(yàn)接線

2.3試驗(yàn)步驟

首先根據(jù)圖4連接設(shè)備，試驗(yàn)前利用校準(zhǔn)單元進(jìn)行Y軸校準(zhǔn)，即利用校準(zhǔn)單元的標(biāo)準(zhǔn)鐵芯，使得測(cè)量的直軸量跟實(shí)際直軸量相位一致。由于標(biāo)準(zhǔn)鐵芯是絕緣良好的，此時(shí)顯示測(cè)量的交軸量為0 mA；接著在鐵芯內(nèi)部用卷尺測(cè)量一段距離，將小車通過此長(zhǎng)度來進(jìn)行X軸校準(zhǔn)(距離校準(zhǔn))，使得儀器測(cè)量的距離跟實(shí)際距離一致。施加較小的勵(lì)磁電壓，調(diào)節(jié)小車兩臂寬度及曲度，使之能很好放置于槽兩側(cè)的鐵芯，并與之充分接觸，同時(shí)觀察檢測(cè)的直軸量，若直軸量與預(yù)算值（總安匝數(shù)除以槽數(shù)）偏差不大，則繼續(xù)施加勵(lì)磁電壓，直至4%的電壓；在定子鐵芯內(nèi)標(biāo)好槽號(hào)，根據(jù)槽號(hào)逐槽進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)探測(cè)小車沿定子鐵芯齒部探測(cè)時(shí)，通過筆記本電腦同時(shí)記錄電流的交軸分量、直軸分量和距離信號(hào)，以便出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)一步判斷故障的大概位置。

3實(shí)例分析

國(guó)電泰州發(fā)電有限公司2號(hào)發(fā)電機(jī)是哈爾濱汽輪發(fā)電機(jī)有限公司引用日本東芝技術(shù)生產(chǎn)的TAKS型1 000 MW發(fā)電機(jī)，大修期間對(duì)其鐵芯進(jìn)行ELCID試驗(yàn)。

3.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，首先確定所需的勵(lì)磁電源。該型號(hào)發(fā)電機(jī)的鐵芯為42槽，共三相，接線方式為Y-Y，tp=7，則額定勵(lì)磁下需要?jiǎng)?lì)磁電壓Ur=1 210 V。ELCID鐵芯試驗(yàn)實(shí)際每圈導(dǎo)線需加的勵(lì)磁為0.04倍額定勵(lì)磁，則 Ur’=48.4 V。

該型號(hào)發(fā)電機(jī)，外徑為2.95 m，內(nèi)徑為1.48 m，齒高為0.194 m，則鐵芯平均直徑為2.409 m，周長(zhǎng)約為7.6 m，最后所需的勵(lì)磁電流為23～76 A，極限情況為15.2～114 A。在試驗(yàn)中，使用ELCID專用勵(lì)磁電纜，匝數(shù)可以選擇1～6匝，一般選擇6匝，則所需每匝勵(lì)磁電流IN=I/N≤19 A，實(shí)際所加勵(lì)磁電壓UN=N×Ur’=290.4V，所以，試驗(yàn)前要選擇一臺(tái)額定電壓大于290 V，額定電流為19A的調(diào)壓器。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)一般選擇380V的調(diào)壓器，電流值為19 A，則實(shí)際需要的調(diào)壓器容量為7.22kV·A。本次試驗(yàn)選擇的是380V的15 kV·A的調(diào)壓器，滿足試驗(yàn)要求。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為被測(cè)發(fā)電機(jī)定子槽號(hào)分布圖.根據(jù)圖5的槽編號(hào)逐項(xiàng)進(jìn)行鐵芯檢測(cè)，每一槽鐵芯測(cè)量后數(shù)據(jù)均保存為一個(gè)波形。第4槽和第42槽的測(cè)試波形如圖6所示。

圖5 發(fā)電機(jī)定子槽號(hào)分布圖（從勵(lì)側(cè)看）

圖6中，縱坐標(biāo)為測(cè)量的交軸分量，橫坐標(biāo)為距離軸，本次試驗(yàn)中“0”代表汽測(cè)處鐵芯，“7”代表勵(lì)側(cè)處鐵芯。試驗(yàn)波形中，其交軸分量的絕對(duì)值如果超過100 mA，則表示該部分鐵芯存在片間絕緣故障。試驗(yàn)后各槽試驗(yàn)波形中交軸量絕對(duì)值最大值數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，本次試驗(yàn)中所有槽的交軸量最大絕對(duì)值均小于100 mA，其中最大的交軸量絕對(duì)值出現(xiàn)在第42槽，為60 mA；其次為第4槽，交軸量最大為48 mA。

表1 各槽鐵芯交軸量絕對(duì)值最大值 mA

從圖6中可以看出，交軸分量絕對(duì)值最大值出現(xiàn)在波形末端畫黑圈的部分，為2個(gè)毛刺，位于鐵芯勵(lì)端端部階梯狀部位。出現(xiàn)毛刺的主要原因是當(dāng)Chattock電位計(jì)在階梯狀鐵芯測(cè)試時(shí)由一個(gè)臺(tái)階滑動(dòng)到下一個(gè)臺(tái)階時(shí)引起的數(shù)據(jù)突變，而且經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，此現(xiàn)象不具有重復(fù)性。因此，排除這2個(gè)毛刺后，所測(cè)試鐵芯所有交軸分量絕對(duì)值均小于45 mA，遠(yuǎn)低于100 mA的標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，本次試驗(yàn)的鐵芯片間絕緣狀態(tài)良好，可以投入運(yùn)行。目前該發(fā)電機(jī)已檢修完畢并投入運(yùn)行，運(yùn)行中各鐵芯溫度測(cè)點(diǎn)的溫度均正常。

3.3鐵芯試驗(yàn)的條件及注意事項(xiàng)

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子需抽出膛外，定子繞組出線與外部連接母線以及其他設(shè)備斷開，且相互隔離，中性點(diǎn)三相短路接地，試驗(yàn)時(shí)不得安排其他接觸到發(fā)電機(jī)鐵芯和繞組的試驗(yàn)；

（2）汽、勵(lì)兩側(cè)搭建腳手架，腳手架高度略高于鐵芯中心位置，以便將勵(lì)磁電纜綁扎、固定在鐵芯中心部位；

圖6 第4槽和第42槽的交軸分量波形

（3）試驗(yàn)過程時(shí)需穿連體服、布鞋，使用橡膠手電筒，鐵芯內(nèi)使用螺絲刀要登記，避免將金屬物件遺留在發(fā)電機(jī)膛內(nèi)；

（4）試驗(yàn)過程中Chattock電位計(jì)移動(dòng)速度符合ELCID操作要求，且Chattock電位計(jì)盡量避免離開鐵芯。

4結(jié)束語

（1）ELCID鐵芯試驗(yàn)只需提供4%的額定磁通量即可完成對(duì)故障鐵芯的診斷，所需的勵(lì)磁電源容量較小，容易配備和攜帶；

（2）勵(lì)磁繞組使用的是ELCID專用勵(lì)磁電纜，電纜本身已將6匝繞組集合在一起，接線時(shí)實(shí)際只需要繞一圈，接線簡(jiǎn)單；

（3）由于施加的電壓較低，鐵芯磁密較低，試驗(yàn)操作安全方便，且不會(huì)使得故障點(diǎn)擴(kuò)大；

（4）ELCID鐵芯試驗(yàn)靈敏度較高，且能夠參考ELCID典型故障波形對(duì)鐵芯深處故障點(diǎn)判斷分析。

[1]GB 50150—2006，電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]NAMARA B M，ENG P.A Collection of Case Studies of ELCID Test[C].Presented at Latin America Power 2000，2000.

[3]關(guān)建軍,于慶斌,鐘浩文.發(fā)電機(jī)定子鐵芯ELCID試驗(yàn)分析與探討[J].大電機(jī)技術(shù),2005(5)：13-17.

[4]王勁松,吳宇輝.發(fā)電機(jī)定子鐵芯片間短路故障診斷系統(tǒng)[J].華北電力技術(shù),2004(2)：34-37.