大型發電機定子鐵心損耗試驗分析

范 林，趙海濤，李新平，李 慶，趙東慧

(1.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊 050400；2.河北電信設計咨詢有限公司，石家莊 050021)

1 概述

發電機定子鐵心是由硅鋼片疊壓組裝而成，由于裝配和制造的原因以及運行中的熱和機械力的作用，造成硅鋼片片間絕緣損壞，鐵心局部短路發熱，嚴重時會損壞定子線棒絕緣，造成停機事故。河北西柏坡發電有限責任公司(簡稱“西柏坡電廠”)共有哈爾濱電機廠生產的QFSN-300-2型汽輪發電機4臺，QFSN-600-2YHG型汽輪發電機2臺，在歷次的大修中，發現300 MW發電機定子鐵心多次發生齒部折斷、片間磨損、過熱等缺陷。定子鐵心損耗試驗是檢驗發電機定子鐵心裝配質量的重要方法,也是檢驗鐵心自身絕緣性能的重要工序，通過該項試驗能夠發現定子鐵心存在的缺陷，避免因人為檢查造成的疏漏。為此西柏坡電廠利用6 kV廠用電系統，開展了發電機定子鐵心損耗試驗，在隨后的發電機抽轉子檢修時作為定檢項目，多次發現發電機定子鐵心的隱含問題，并在缺陷處理后進行復測，保證了發電機大修后，定子鐵心溫升合格，片間絕緣的狀態良好。以下以西柏坡電廠的QFSN-300-2型3號汽輪發電機為例進行分析。

2 試驗方案

2.1 可行性分析

2.1.1 電源容量及運行方式

發電機所處12.6 m平臺，6 kV配電室位于其下方6.5 m的平臺上，電源選取方便，啟動備用變壓器為有載調壓，系統電壓調整方便。由于采用6 kV電壓，勵磁電流相對較低，可降低勵磁電纜截面，便于纏繞，還滿足鐵損試驗1.4 T的磁密值。

機組檢修期間，相應的廠用電系統負荷率較低，預留1條6 kV母線作為試驗電源，不影響公用設備的正常用電，20號啟動備用變壓器額定容量：40 000/25 000-15 000 kVA，啟動備用變壓器容量滿足試驗要求。試驗時，將6 kV 3B母線預留,試驗電源取自6 kV 3B段母線U、V相。選用3B循環水泵斷路器間隔，解除704B斷路器自投。

2.1.2 負序電流

由于試驗電源取自6 kV 3B段母線U、V相，在合閘瞬間及試驗過程中將產生負序電流。根據對稱分量法估算負序電流的大小：Ia2=1/3(IU+α2IV+αIW)；合閘瞬間勵磁電流按1 000 A計算，則負序電流Ia2應為300 A。

20號啟動備用變壓器的變比為230 kV/6.3 kV，將低壓側負序電流300 A折算到220 kV 側為8.2 A。此負序電流由系統及3臺運行機組提供。

系統等值到西柏坡電廠的等值電抗標幺值為0.06(Sj=100 MVA)，西柏坡電廠1臺發電機變壓器組等值電抗標幺值為0.078，即3臺發電機變壓器組等值電抗標幺值為0.026。計算得：系統提供2.48 A負序電流，西柏坡電廠3臺運行機組提供5.72 A負序電流，即1臺發電機提供1.9 A負序電流。西柏坡電廠主變壓器的變比為242 kV/20 kV，將1.9 A負序電流折算到主變壓器低壓側為22.99 A，遠低于發電機允許長期運行的0.1Ie。所以發電機鐵損試驗不會對系統及西柏坡電廠運行機組產生不利影響。

2.1.3 繼電保護

為防止試驗過程中對220 kV系統及1號、2號、4號發電機造成不利影響，特制定以下保護措施：703B斷路器過流保護,3B循環水泵綜合保護定值做相應修改;試驗過程中3B循環水泵差動保護,二單元備用分支差動退出運行;703B斷路器過流保護由13.7 A改為2.5 A，動作延時由2.2 s改為0 s;3B循環水泵綜合保護定值控制字改為Sd0A=16。試驗結束后恢復上述保護。

2.2 參數計算

參數計算如下：定子鐵心外徑D1=254 cm；定子鐵心內徑D2=125 cm；定子鐵心長度L1=520 cm；定子鐵心齒高h1=16.35 cm；通風溝數n=63；通風溝寬度b=0.8 cm；定子鐵心沿圓周的單位長度所需的磁化力H0=3.3 安匝/cm，定子鐵心填充系數k=0.93，測量線圈匝數W2取2匝。

根據DL 596-1996《電力設備預防性試驗規程》要求，試驗時采用的磁通密度B=1.2 T。

定子鐵心有效長度

L=k(L1-n×b)=436.728 cm

定子鐵心有效厚度

定子鐵心有效截面積

Q=L×h=21 028.5 cm2

勵磁線圈匝數

勵磁線圈匝數取10匝

定子鐵心平均直徑

Dp=D1-h=205.85 cm

勵磁電流

電源容量

S=U1I×10-3=1 278 kVA

通過上述計算過程，按勵磁電流計算值和勵磁線圈匝數選擇合適截面的勵磁電纜。并準備交流電壓表、交流電流表、單相瓦特表、電流互感器、紅外測溫儀、紅外成像儀等試驗設備。

2.3 試驗步驟

a. 試驗前停發電機冷卻水。停發電機周圍的冷卻風機，以免影響試驗的準確性；試驗中定子繞組用不小于50 mm2裸銅線接地。

b. 試驗負責人聯系運行人員拉出3B循環水泵斷路器并停其操作電源，合上斷路器間隔負荷側接地刀閘后，試驗人員開始接線。

c. 將3B循環水泵斷路器控制方式改為在試驗地點12.6 m處實現合跳控制。

d. 將勵磁線圈與測量線圈成90°角繞與鐵心圓周(勵磁線圈繞為10匝)，并按試驗接線圖接好線，聯系運行人員拉開3B循環水泵斷路器間隔負荷側接地刀閘并測勵磁線、測量線絕緣電阻。

e. 準備好紅外測溫儀和紅外成像儀，測量鐵心初始溫度和室溫。

f. 試驗負責人聯系運行人員將3B循環水泵斷路器推到運行位置，并送上操作電源。試驗過程中的分合斷路器的操作由試驗人員在12.6 m處自行操作。

g. 試驗開始，合上3B循環水泵斷路器，所有數值與計算值差距不大時即開始試驗。10 min后，用紅外測溫儀檢查定子鐵心溫度，確定鐵心最熱點和最冷點，同時檢查鐵心齒部有無松動現象。在整個試驗過程中，應隨時檢查鐵心各部發熱情況，如發現有新的過熱點，應及時紀錄，如有發現冒煙或發紅現象，應立即停止試驗，并對冒煙或發紅處作好記號并及時處理。

h. 試驗期間每隔10 min紀錄各表計和各部溫度一次，試驗持續45 min后，試驗人員斷開電源斷路器，結束試驗。

i. 試驗負責人通知運行人員停3B循環水泵斷路器操作電源并將其拉開至檢修位置，合上負荷側接地刀閘后，檢修人員拆線。

3 試驗結果分析

2012年初西柏坡電廠3號發電機進行了定子邊段鐵心更換工作，并在鐵心更換前和更換后進行了鐵心損耗試驗，磁通密度接近1.4 T，試驗數據見表1。

由表1可以看出，鐵心損耗試驗，能及時發現發電機鐵心存在的問題，并能檢驗發電機定子鐵心的完整性，保證了檢修質量。該試驗方法在西柏坡電廠4臺300 MW和2臺600 MW發電機檢修中也多次成功應用。

表1 鐵心更換前、后鐵心損耗試驗數據

項目勵磁電流/A勵磁電壓/V功率損耗/W磁通密度/GS試驗結果鐵心更換前192 6 150272 00013 160共有34個段的鐵心齒部溫度脫群鐵心更換后2546 510296 80013 931有19個段的鐵心齒部溫升較高但沒有超過《電力設備預防性試驗規程》的要求,滿足運行要求

4 試驗注意事項

a. 該項試驗的實施重點在于安全性的控制和試驗過程中的協調調度管理，制訂相關的技術措施和組織措施，才能保證試驗的順利進行。試驗準備階段需要注意勵磁電纜的選擇，因為試驗時電纜需纏在發電機本體上，所以電纜的絕緣強度必須高。電纜載流性好，散熱快，便于在發電機本體上纏繞。電纜為移動敷設，拆裝頻繁，電纜絕緣、護套、導體應具有相應的機械強度。

b. 試驗場地涉及的范圍較大，需要加強現場管理，在電纜敷設通道、電源間隔、發電機周邊、試驗儀器旁等地點設置必要的圍欄，并由專人監護。試驗過程中注意電纜的防護，定子膛內應將勵磁電纜和測試線圈用絕緣棒支撐，電纜經過的邊角位置應進行防護和固定，檢查接線的正確性，并在試驗前進行6 kV系統額定電壓下的直流泄漏試驗，檢查電纜的絕緣性能。試驗過程中由試驗負責人統一指揮和調度，進入定子膛內應由有實踐經驗的試驗人員擔任試驗負責人。