沐若水電站水輪發電機定子鐵損試驗工藝探討

鐘珍華 鐘必勝

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

沐若水電站地處馬來西亞的婆羅洲島沙撈越州，壩址位于拉讓（Rajang）河流域源頭沐若河上。裝有4 臺236 MW 水輪發電機，均由哈爾濱電機股份有限公司制造。鐵損試驗在定子組裝疊片完畢，定子下線開始之前進行，其中硅鋼片型號為50W250。

1 鐵損試驗概述

鐵損是發電機能量損失之一，其原因是由于發電機運行時鐵心內部產生渦流，渦流經過鐵心，使鐵心內部產生熱能，這種熱能是消耗能量的，故稱為鐵損。鐵損不僅影響發電機效率，而且可能因鐵心內部短路，產生局部過熱，加速鐵心絕緣和定子線圈絕緣的老化，嚴重時可能造成鐵心燒損和線圈擊穿事故。鐵損試驗是檢查定子鐵心裝配質量和絕緣情況的有效方法。

定子鐵損試驗需要專門的勵磁電纜纏繞在定子鐵心上，使鐵心內部形成接近飽和狀態的磁場，這樣鐵心中絕緣劣化部分將產生較大的渦流，溫度很快升高，利用酒精溫度計和紅外線測溫儀測出各部位溫度。鐵心中松動部位將產生較大的磁噪聲。利用電氣儀表測出勵磁功率損耗，計算出鐵心單位重量所損耗的功率，與標準允許值相比較，即可判斷定子鐵心的疊裝質量。為便于對各次測量結果的比較，通常盡可能采用1 T 的磁通密度和50 Hz 的電源。

2 試驗電源選擇

鐵損試驗所需勵磁電源為A、C 兩相，對于提供電源者而言，則為三相不平衡負載，其中不平衡電流將會很大。以往試驗電源都是直接取自電網經施工變而來，鐵損試驗所產生的不平衡電流對于電網影響不大。

沫若電站由于現場條件有限，主廠房無法直接取得電網電源，需柴油發電機供電，而鐵損試驗為三相不平衡負荷，柴油發電機所帶負荷不平衡的這種運行工況屬于不正常運行工況，根據相關資料的分析結合柴油發電機設備廠家意見，在試驗過程中，柴油發電機負荷應控制在額定負荷的20%以內。施工現場柴油發電機單機最大功率為1 200 kW，所以需要并機運行。根據現場設備情況，鐵損試驗電源由1臺1 200 kW、1 臺1 000 kW、2 臺800 kW 共4 臺柴油發電機并列運行，作為低壓側400 V 電源，總功率為3 800 kW，總容量為4 750 kVA。經S9-1600/11 升壓變壓器，送至現場12 kV 高壓開關柜。每臺柴油發電機均有TGCM 綜合控制模塊，此模塊含有發電機監控、保護、并機等程序，可以實現自動并機和實時監控運行。在每臺柴油發電機出口零線用2 根240 mm2銅心電纜單獨接地，作為不平衡電流泄漏點，且與柴油發電機接地點區分開。

3 參數計算

發電機定子鐵芯斷面如圖1。

圖1 定子鐵芯斷面圖

3.1 定子鐵芯基本參數

鐵芯內徑d1=6 480 mm；鐵芯外徑d2=7 500 mm；鐵芯高h=2 730 mm；鐵芯壓緊系數，取k=0.96（制造廠提供的數據）；通風溝寬度b=6 mm；通風溝數量n=64；硅鋼片安匝數，取H0=1.8 安匝/cm（制造廠提供的數據）；槽深h1=160.3 mm。

3.2 參數計算

（1）鐵芯有效長度L=k×（h-n×b）=225.216 cm。

（2）鐵芯軛部高度ha=（d2-d1）/2-h1=34.97 cm。

（3）鐵芯截面積S=L×ha=7875.8035 cm2。

（4）勵磁線圈匝數W1=U1/（4.44f×S×B）×108=66.06（B=1.0×104Gs）

匝數取64 匝。

（5）勵磁繞組電流I=π（d2-ha）H0/W1=63.178 A。

（6）電源容量P=U1I=729.706 kVA。

本次試驗電源為柴油發電機并列運行，總容量為4 750 kVA，滿足容量要求。

若測量線圈取W2=1 匝，則測量電壓U2=U1W2/W1=180.47 V。

勵磁線圈導線的選擇：按每3.5 A/mm2計算，所需勵磁電纜芯線截面積為63.178/3.5=18.05 mm2，選用1 根35 mm2的11 kV 電纜，分4個區域對稱纏繞，每個區域纏繞16 圈，總長度為700 m。

（7）鐵芯軛部重量：

4 試驗設備和布置

4.1 試驗設備

試驗設備見附表。

附表 定子鐵損試驗設備配置表

4.2 試驗布置

（1）在測量區域設置兩張桌子，放置測量儀表，測量儀表按圖2 接線。

（2）勵磁電源布置：鐵損試驗在安裝間進行，勵磁電源進線高壓開關柜布置在安裝間，電源從柴油發電機廠房經施工變升至11.55 kV 取得。

（3）勵磁線圈布置：如果鐵損試驗的勵磁線圈按集中布置，會產生嚴重的漏磁現象，使得電機圓周上的磁通分布極不均勻，因為鐵心溫升大致與磁密的平方（B2）成正比，給測試與判斷帶來很大的困難，故按圖2 在定子鐵心上按相同方向纏繞勵磁線圈，分4個區域對稱纏繞，每個區域纏繞16 圈，共64 圈，總長度為700 m。

圖2 鐵心磁化試驗接線原理圖

（4）溫度測量計的布置：鐵心上按+X、-X、+Y、-Y 四個方向的上、中、下部各安裝一個酒精溫度計，總共12個；在+X、-X 方向的上下壓板上，也各安裝1個酒精溫度計，共4個；定子機座按對應上下壓板安裝酒精溫度計的位置上，在其中下部位置安裝2個酒精溫度計；另用遠紅外測溫儀隨時監測各位置溫度，重點監視各過熱區域的溫度。

（5）測量線圈的布置：為了檢查鐵心磁場是否均勻，在鐵心180°方向布置兩組測量線圈，測量線圈用2.5 mm2的導線，按圖2 纏繞，各繞1 匝，分別引至U21與U22。測量繞組應包繞定子有效鐵心，但不應包繞定子整個機座。

5 試驗步驟

（1）試驗有關人員全部就位。

（2）檢查試驗接線的正確性，檢查勵磁電纜、測量電線的絕緣，絕緣值應大于5 MΩ。

（3）試驗過程中，關閉有可能照射到定子鐵心上的所有照明。

（4）預合試驗用斷路器給鐵心勵磁，觀察鐵心及測量表計有無異常，然后分斷斷路器。

（5）各部位正常以后，記錄好各表計的初始值，合試驗用斷路器，同時開始計時；每隔10 min 記錄一次電源電壓、電流、功率、感應電壓及各點溫度，試驗共計90 min。用紅外測溫儀隨時監測各部位溫度，找出高溫區進行重點監測；試驗過程中溫度控制：

①定子鐵芯各部位的最高溫升不超過25℃；

②定子鐵芯各部位的溫差不超過15℃；

③上下壓板溫差不超過10℃；

④鐵芯和機座溫差不超過15℃。

（6）如局部發熱較嚴重，應查明原因。

6 安全措施及注意事項

（1）試驗前在柴油發電機房安排專人負責并聯4 臺柴油發電機，并密切監視柴油發電機運行工況，一旦出現異常狀況，立即停止試驗，切斷電源。

（2）勵磁繞組必須絕緣良好，并事先做好勵磁電纜泄漏試驗，導線不觸及鐵心，在鐵心和機座棱角處用5 mm 的絕緣橡皮包繞勵磁電纜并用扎帶固定在電纜上。

（3）用70 mm2的銅扁鐵將定子機座可靠接地。

（4）試驗中檢查、檢測定子鐵心溫度時，不得用雙手同時直接觸摸鐵心，以防觸電。且需仔細眼觀耳聽，注意發現鐵心松動現象，記錄噪音儀數據。膛內不得存放金屬物。

7 試驗結果分析

7.1 結果分析有關公式

（1）實際高斯值B1=U21/4.44×f×（W2×S）

式中 U21——實際測得電壓值；

F——實際頻率；

W2——測量線圈匝數；

S——面積。

（2）換算至10 000 高斯時的單位鐵損 P0=W/G×（10000/B1）2

式中 W——實際測量得到的總鐵損；

G——鐵芯重；

B1——計算出的實際磁通密度。

7.2 試驗結果計算

（1）試驗過程中實際磁通密度B1。

其中實際頻率f 為49.10 Hz，U21為166.5 V。

（2）折算到1 T 時的單位鐵損△PFe。

△PFe=W/G×（10000/B1）2=1.339 3 W/kg

W 為實際測量得到的總鐵損，G 為鐵心重，B1為計算出的實際磁通密度。

（3）最高鐵心溫升。

△t=（t1-t0）/（10000/B1）2=5.3 K，式中t1 為鐵心最高溫度，t0 為鐵心初始溫度。

（4）最高鐵心溫差。

△θ=（t2-t3）/（10 000/B1）2=3.18 K，式中t2、t3 為鐵心最高、最低溫度。

（5）最高齒壓板溫差。

△θ1=（t4-t5）/（10 000/B1）2=2.12 K，式中t4、t5為上下齒壓板最高、最低溫度。

（6）最高鐵心與機座溫差。

△θ2=（t6-t7）/（10 000/B1）2=3.71 K，式中t6、t7為鐵心與機座最高、最低溫度。

7.3 試驗結果判斷

據以上試驗結果與計算結果可知：△t＜25 K，△θ＜15 K，△PFe＜1.3858 W/kg，△θ1＜10 K，△θ2＜15 K。在整個試驗中，用紅外測溫儀對鐵心各部位進行觀察，無局部過熱現象，鐵心磁震動聲音正常。且柴油發電機作為勵磁電源帶不平衡負載工作正常。

由以上試驗及計算結果可知：馬來西亞沫若水電站4#機組定子鐵心質量合格。

8 小 結

經實踐驗證，本項目中所采用的試驗工藝和電源方案是正確的，柴油發電機作為電源進行定子鐵損試驗是可行和可靠的。試驗過程中柴油發電機電源相關措施和應注意事項總結如下：

（1）由于鐵損試驗合閘瞬間就會有730 kVA左右的不平衡負荷沖擊柴油發電機，而柴油發電機并無零序或負序過流保護。鐵損試驗電源受電時，調節發電機出口斷路器過流保護定值為1.3 倍，先并列4 臺柴油發電機，以額定轉速空載（功率因素為0.8）運行后，再合高壓開關，帶負載勵磁運行。

（2）試驗電源應注意的問題：試驗前先進行柴油發電機并機測試；并列運行的柴油發電機在合閘瞬間，由于不平衡大負荷沖擊，轉速可能發生變化，柴油發電機應能穩定運行；并列運行的柴油發電機所帶負荷三相不平衡，其出力應能夠按柴油發電機負載能力分布，不至于使過多的不平衡電流涌向某一臺機組，破壞柴油發電機；柴油發電機帶不平衡負荷并列運行應能滿足試驗時間的要求，實驗過程不應因此被中斷。