對發電機定子鐵心磁化試驗比損耗值的計算分析

成德明（浙江富春江水電設備有限公司，浙江 桐廬 311054）

對發電機定子鐵心磁化試驗比損耗值的計算分析

成德明
（浙江富春江水電設備有限公司，浙江 桐廬 311054）

摘要：自2005年全國旋轉電機標準化技術委員會首次起草GB/T20835-2007《發電機定子鐵心磁化試驗導則》開始，直到最近對該標準重新修訂，對定子鐵心比損耗值是否列入質量判據，以及比損耗值限值取何值這兩個問題一直存有爭議。本文依據相關數據對此作些計算、分析，并提出了作為水輪發電機定子鐵心質量判據的適宜的比損耗限值。

關鍵詞：鐵心磁化試驗；硅鋼片；定子鐵心比損耗

1　引言

自2005年全國旋轉電機標準化技術委員會首次起草GB/T20835-2007《發電機定子鐵心磁化試驗導則》開始，直到最近對該標準重新修訂，對定子鐵心比損耗值是否列入質量判據、比損耗值限值取何值這兩個問題一直存有爭議。本文依據相關數據對此做些計算、分析，便于大家參考。

2　發電機定子鐵心比損耗判據的早期出處

在《水輪發電機設計與計算》[1]一書中，有對定子鐵損試驗的規定：

式中：

在GB/T20835-2007《發電機定子鐵心磁化試驗導則》[2]的附錄A（資料性附錄）中，有：

由于這里的“標準比損耗”沒有明確的定義，工程實踐中，大家常常把硅鋼片生產廠家提供的相應磁感應強度下的比損耗典型值理解為“標準比損耗”，參見表1中的“L+C”列中的數據。

表150W270的比損耗

表150W270的比損耗

B/T 　L+C*1　L*2　C*30.7 　0.572 　0.464 　0.661比損耗P/W/kg 0.8 　0.717 　0.587 　0.82 0.9 　0.877 　0.725 　0.995 1 　1.05 　0.885 　1.191 1.1 　1.245 　1.065 　1.393 1.2 　1.469 　1.275 　1.632 1.3 　1.729 　1.52 　1.913 1.4 　2.069 　1.831 　2.263 1.5 　2.462 　2.182 　2.697 1.6 　2.827 　2.585 　3.054 1.7 　3.182 　2.931 　3.373

注：*1，組成愛潑斯坦方圈的硅鋼片一半平行于軋制方向（亦稱縱向），一半垂直于軋制方向（亦稱橫向）。

*2，組成愛潑斯坦方圈的全部硅鋼片平行于軋制方向。

*3，組成愛潑斯坦方圈的全部硅鋼片垂直于軋制方向。

3　硅鋼片的種類及特性

硅鋼片從軋制工藝上分有冷軋和熱軋，從磁性能的方向性分類有有取向和無取向。

為了分析方便，以冷軋無取向硅鋼片50W270的數據為依據分析。

取向硅鋼片在沿軋制方向的磁性能大大優于垂直于軋制方向的磁性能，對于無取向硅鋼片在沿軋制方向和垂直于軋制方向的磁性能上的差異，大家可能不是太清楚，往往認為，既然是無取向硅鋼片，兩個方向上的磁性能應該是相同的。查閱有關資料可知，其實，即使是無取向硅鋼片，其沿軋制方向的磁性能還是高于垂直于軋制方向的磁性能一定的數值。這里以硅鋼片的50Hz下的比損耗和磁感應強度的相互關系為例，見表1。

一般，硅鋼片制造廠家提供的磁化特性曲線、鐵損曲線均是用GB/T3655-2008[3]規定的愛潑斯坦方圈法測量得到。而且，對于無取向硅鋼片，組成愛潑斯坦方圈的硅鋼片一半平行于軋制方向，一半垂直于軋制方向。即，表1中的“L+C”列的數據。

4　硅鋼片比損耗實際可能值與典型值的區別

在GB/T2521-2008[4]中規定，硅鋼片比總損耗保證值以磁極化強度為1.5T和（或）1.7T時的比總損耗為依據。（注1，這里的“磁極化強度”在GB/T 2521-1996中叫“磁感應強度”，本文對此概念未作區分；注2，這里的“比總損耗”以前叫“比損耗”，本文對此概念也未作區分。）該國標未對1.0T、1.4T時的硅鋼片比總損耗的保證值作規定。

從表1中“L+C”列的數據可知，50W270的1.5T時的比損耗典型值是：15/50=2.462W/kg，而保證值為2.70W/kg，為典型值的1.10倍。

由于廠家不提供1.0T時的比總損耗保證值，只提供此時的典型值。我們不妨按同樣的比率來求取1.0T時實際可能的比損耗值，亦即，以50W270為例，1.0T時實際可能的比損耗值可以以1.0T時的比損耗典型值×1.10來計算。

5　在大中型水輪發電機和大中型汽輪發電機上的應用

5.1水輪發電機和汽輪發電機使用硅鋼片上的差異

一般，汽輪發電機定子扇形片按其中心齒與硅鋼片軋制方向垂直進行沖制，水輪發電機定子扇形片按其中心齒與硅鋼片軋制方向一致進行沖制。

引起上述使用硅鋼片差異的主要原因在于兩種發電機的轉速和磁極數量的不同。汽輪發電機的磁極數較少，一般為2極、4極；水輪發電機大多在8極以上。

5.2發電機定子鐵心磁化試驗方法及需要關注的問題

發電機定子鐵心磁化試驗，習慣上稱鐵損試驗，具體試驗方法參見GB/T20835-2007《發電機定子鐵心磁化試驗導則》，這種試驗方法被廣泛使用。使用這種方法時，有以下幾點值得關注：

（1）試驗時，勵磁繞組和測量繞組包繞定子鐵心軛部，經過齒部的磁通對于試驗所計量的磁通來說是漏磁通。該漏磁通也會產生損耗。

（2）由于定子結構上的原因，可能需要勵磁繞組、測量繞組把定子機座、齒壓板等也包繞在內。

從上述兩方面來看，試驗得到的鐵心損耗主要是軛部損耗，也包括齒部漏磁通損耗、定子機座漏磁通損耗、齒壓板漏磁通損耗等。而定子機座漏磁通損耗、齒壓板漏磁通損耗在機組運行中并不會出現，所以，工程實踐中，如果對發電機鐵心比損耗有要求，常常要估算并剔除定子機座漏磁通損耗、齒壓板漏磁通損耗這兩部分損耗，以更準確地計算發電機鐵心比損耗。

6　按GB/T20835-2007折算的比損耗值的比較

6.1汽輪發電機與水輪發電機

假定汽輪發電機采用50W270硅鋼片，定子扇形片按其中心齒與硅鋼片軋制方向垂直進行沖制，若試驗時的磁感應強度=1.3T，則按照GB/T 20835-2007規定的折算式（這里假設其他因數不需折算，下同），折算到1.4T時的比損耗：

由于定子扇形片按其中心齒與硅鋼片軋制方向垂直進行沖制，其軛部磁通的方向和硅鋼片軋制方向基本一致，所以，上式中'13/50采用了表1中L列數據。（表1是材料本身的數據，實際定子的測量值高于該值。下同。）

可見，折算到1.4T時的比損耗是50W270硅鋼片1.4T時典型值2.069（表1中“L+C”列數據）的0.852倍。

水輪發電機定子扇形片按其中心齒與硅鋼片軋制方向一致進行沖制，假定采用50W270硅鋼片，若試驗時的磁場強度=0.9T，則按照GB/T20835-2007規定的折算式，折算到1.0T時的比損耗：

由于定子扇形片按其中心齒與硅鋼片軋制方向一致進行沖制，其軛部磁通的方向和硅鋼片軋制方向基本垂直，所以，上式中9/50采用了表1中C列數據。

可見，折算到1.0T時的比損耗是50W270硅鋼片1.0T時典型值1.05（表1中“L+C”列數據）的1.17倍。

由于兩種發電機定子沖片的沖制方向不一致，試驗得出的定子鐵心比損耗將有相當大的差異。也就是說，對于汽輪發電機來說，鐵心比損耗較容易滿足GB/T20835-2007附錄A（資料性附錄）中判據要求。

6.2比損耗實際可能值與典型值的區別

按1.5T時的典型值與保證值同樣的比率來求取1.0T、1.4T時實際可能的比損耗值，亦即，以50W270為例，1.0T時實際可能的比損耗值可以以1.0T時的比損耗典型值×1.10來計算；1.4T時實際可能的比損耗值可以以1.4T時的比損耗典型值×1.10來計算。對于汽輪發電機，則有：

是50W270硅鋼片1.4T時典型值2.069的0.937倍。

對于水輪發電機，則有：

是50W270硅鋼片1.0T時典型值1.05的1.29倍。

6.3結論

從上述分析、計算可知，對于定子扇形片，按其上的中心齒與硅鋼片軋制方向一致進行沖制的水輪發電機定子鐵心來說，即使使用材料本身的數據，定子鐵心比損耗1值也已經達到了所用硅鋼片比損耗典型值的1.17～1.29倍。即：

可見，GB/T20835-2007《發電機定子鐵心磁化試驗導則》的附錄A（資料性附錄）中，水輪發電機定子鐵心比損耗1的限值：，這一要求是偏高的。

7　總結

（1）確定發電機定子鐵心比損耗限值前，需要掌握所使用硅鋼片的種類及性能，以及獲得該性能所對應的條件。參見GB/T2521-2008《冷壓取向和無取向電工鋼帶（片）》。

（2）發電機定子鐵心磁化試驗時，主磁通沿定子鐵心軛部分布。對于定子扇形片沖制方向為硅鋼片縱向的水輪發電機，用硅鋼片橫向的比損耗來計算鐵心損耗較為接近實際情況。

（3）對于水輪發電機定子鐵心，由于即使使用材料本身的數據，定子鐵心比損耗1值也已經達到了所用硅鋼片比損耗典型值的1.17～1.29倍。即：1.1710/50～1.2910/50。所以，如果要把水輪發電機定子鐵心比損耗1作為質量判據，宜把限值設定為：1≤1.4510/50。

（這里P10/50為硅鋼片制造廠提供的比損耗典型值，對于50W270硅鋼片，10/50值為1.05W/kg。）

參考文獻：

[1]白延年．水輪發電機設計與計算[M]．北京:機械工業出版社, 1982：800-803．

[2]GB/T20835-2007．發電機定子鐵心磁化試驗導則[S]．北京:中國標準出版社,2007．

[3]GB/T3655-2008．用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法[S]．北京：中國標準出版社,2009．

[4]GB/T2521-2008．冷壓取向和無取向電工鋼帶(片)[S]．北京:中國標準出版社,2008．

中圖分類號：TV734.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）03-0031-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.009

收稿日期：2014-12-04

作者簡介：成德明（1963-），男，教授級高級工程師，從事水電設計開發及管理工作。