水電站發(fā)電機(jī)定子磁化試驗(yàn)參數(shù)取值分析

呂 滔

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

水電站發(fā)電機(jī)定子磁化試驗(yàn)參數(shù)取值分析

呂 滔

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

定子磁化試驗(yàn)是評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)定子鐵芯質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要方法。本文介紹了定子磁化試驗(yàn)的方法和原理，并結(jié)合某工程案例，列舉其試驗(yàn)方法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的差異，指出其計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)處理的不當(dāng)之處。通過(guò)分析糾正其造成勵(lì)磁電流偏大、試驗(yàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度偏小、鐵芯重量計(jì)算不精確等方面的計(jì)算誤差。結(jié)合基本公式推導(dǎo)給出更優(yōu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方法和建議。并根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了一種較準(zhǔn)確測(cè)定鐵芯重量的實(shí)際應(yīng)用方法。

發(fā)電機(jī)；定子鐵芯；硅鋼片；磁化試驗(yàn)；鐵芯損耗

0 引言

發(fā)電機(jī)定子質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)電機(jī)的效率、功率因素以及電機(jī)的安全運(yùn)行。發(fā)電機(jī)定子鐵芯質(zhì)量主要是通過(guò)磁化試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)判定的。因此，選擇正確的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)有利于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)定子鐵芯的制造質(zhì)量。目前，評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)定子鐵芯質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)是定子鐵芯的單位鐵芯損耗和鐵芯溫升。通過(guò)查閱大量工程案例和相關(guān)資料，筆者發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)的取值存在不適之處。本文結(jié)合典型案例進(jìn)行分析，指出試驗(yàn)中的不妥之處，提出筆者的建議和看法，并提出一種比較準(zhǔn)確計(jì)算鐵芯質(zhì)量的方法。

1 鐵芯磁化試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)定子鐵芯一般由矽鋼片疊壓安裝制作而成。鐵芯沖片通常采用含碳量極低的硅鐵軟磁合金。鐵芯沖片在交變磁場(chǎng)下磁化時(shí)所消耗的電能，稱(chēng)為鐵芯損耗。鐵芯損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚鸲ㄗ予F芯的溫度升高，造成電量損失。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法采用的是愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)試方法[1]。基本原理依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為：

式中： W——線圈匝數(shù)；

f——交變電流頻率；

Φ——交變磁通量；

B——電磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）；

S——交變磁通截面積。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本文以某電站的定子鐵損試驗(yàn)為例。該電站總裝機(jī)容量500MW，單機(jī)容量125MW。機(jī)組型號(hào)為SF-J125-88/15070，額定容量142.9MVA，額定功率125MW，額定電壓15.75kV，額定電流5238A，功率因素0.875（滯后）。發(fā)電機(jī)定子鐵芯采用現(xiàn)場(chǎng)安裝，定子機(jī)座現(xiàn)場(chǎng)焊接，鐵芯沖片經(jīng)疊裝壓緊后進(jìn)行鐵芯損耗試驗(yàn)。

鐵芯磁化試驗(yàn)采用在發(fā)電機(jī)定子鐵芯上纏繞勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組內(nèi)通入工頻交流電流，在定子鐵芯回路中產(chǎn)生符合試驗(yàn)要求的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)纏繞在定子鐵芯上的二次測(cè)量繞組讀取二次回路中測(cè)量電壓、一次回路電流、有功功率等試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算定子鐵芯單位重量的損耗。定子鐵芯通風(fēng)槽、定子機(jī)座等部位埋設(shè)熱電偶測(cè)量記錄定子各部位的溫度及溫升，有條件時(shí)還可采用紅外線測(cè)溫儀、熱成像儀等設(shè)備查找定子鐵芯局部過(guò)熱點(diǎn)。定子鐵芯截面圖如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖1 定子鐵芯截面圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置圖

2.1 基本參數(shù)

（1）設(shè)計(jì)考核指標(biāo)。

定子鐵芯最高溫升：≤25K

定子鐵芯最大溫差：≤15K

單位鐵芯損耗：≤1.43W/kg

（2）定子鐵芯基本參數(shù)。

定子鐵芯疊壓系數(shù)K：0.93

定子鐵芯外徑d2：15070mm

定子鐵芯內(nèi)徑d1：14420mm

定子鐵芯磁軛高度h：1300mm

定子鐵芯槽深h1：134.5mm

定子徑向通風(fēng)道寬度b：4mm

定子徑向通風(fēng)道數(shù)量n：33

鐵芯比重ρ=7.8×103kg/m3

2.2 試驗(yàn)計(jì)算

（1）現(xiàn)場(chǎng)給定參數(shù)。

勵(lì)磁電壓U1=400V

磁場(chǎng)強(qiáng)度B1=1T（理論計(jì)算值）

勵(lì)磁電流頻率f1=50Hz（理論計(jì)算值）

安匝系數(shù)aw=1.9×102安匝/米

測(cè)量繞組匝數(shù)M2=2

（2）試驗(yàn)計(jì)算參數(shù)（結(jié)果保留兩位小數(shù)）[2]。

定子鐵芯磁軛寬度：

h0=（d2-d1）/2-h1=190.5（mm）

定子鐵芯有效高度：

L=K×（h-b×n）=1086.24（mm）

定子鐵芯磁軛平均直徑：

dav=d2-h0=14879.50（mm）

定子鐵芯磁軛截面積：

S=h0×L=206928.72（mm2）

勵(lì)磁繞組匝數(shù)：

M1=U1/（4.44B1×f1×S）=8.71（匝）

試驗(yàn)繞組匝數(shù)取8匝。

勵(lì)磁繞組電流：

I1=（π×dav×aw）/M1=1109.64（A）

測(cè)量繞組電壓：

U2=4.44M2×B1×f1×S=91.88（V）

表1 鐵芯損耗試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄表（保留三位小數(shù)）

鐵芯重量：

m=ρ×π×dav×S=75410.77（kg）

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)應(yīng)實(shí)測(cè)記錄如下數(shù)據(jù)：實(shí)際勵(lì)磁電壓U1、實(shí)際勵(lì)磁電壓頻率?、實(shí)際勵(lì)磁繞組電流I、測(cè)量繞組電壓U2、實(shí)際鐵芯損耗P、各部位溫度t、噪聲等數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)時(shí)實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度：

定子鐵芯標(biāo)準(zhǔn)損耗P1（W/kg）為：

不考慮頻率影響，損耗系數(shù)k取1。簡(jiǎn)化計(jì)算公式得：P1=P/B2。

該簡(jiǎn)化計(jì)算的鐵損誤差在0.2%～8.7%，平均誤差3.94%。[3]

試驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄見(jiàn)表1。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄表試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本次試驗(yàn)鐵芯損耗超標(biāo)不合格。

3 鐵芯損耗計(jì)算的探討

本案例中，我們可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）勵(lì)磁電流計(jì)算值I1與實(shí)際勵(lì)磁電流值I相差較大。

（2）實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度B偏小。

（3）鐵芯損耗指標(biāo)超標(biāo)，如何判斷評(píng)價(jià)定子鐵芯質(zhì)量。

3.1 勵(lì)磁電流計(jì)算值偏大原因分析

本文認(rèn)為計(jì)算公式本身是正確的。產(chǎn)生的差異主要是安匝系數(shù)的取值范圍造成的。通過(guò)查閱相關(guān)資料和實(shí)際案例發(fā)現(xiàn)，一些工程案例中勵(lì)磁電流計(jì)算時(shí)，安匝系數(shù)的取值范圍為2.15×102～2.30×102安匝/米[4]。隨著現(xiàn)在制造工藝的提高，實(shí)際生產(chǎn)使用的硅鋼片磁導(dǎo)率μ通常為7000μ～10000μ0，μ0=4π×10-7N/A2。

由安匝系數(shù)的計(jì)算公式：

可得，安匝系數(shù)的取值范圍為0.80×102～1.14×102安匝/米。

因此，試驗(yàn)前應(yīng)取得定子鐵芯材質(zhì)的型號(hào)或由廠家提供勵(lì)磁磁化曲線取值表。結(jié)合工程實(shí)際情況取得一個(gè)合適的安匝系數(shù)值較為合理。本文根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議安匝系數(shù)取值范圍為1.7×102～ 1.9×102安匝 /米[5]。

3.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際值偏小原因分析

本案例在計(jì)算時(shí)勵(lì)磁繞組匝數(shù)時(shí)，未考慮電源電壓壓降的影響。鐵芯損耗試驗(yàn)時(shí)，電源負(fù)載是重負(fù)荷，會(huì)引起較大的電壓壓降。勵(lì)磁電壓的降低直接影響鐵芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此，在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮電壓降的影響。為保證試驗(yàn)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，工程中可采用勵(lì)磁電壓計(jì)算值取80%UN～90%UN，UN為電源電壓額定值。由于鐵芯損耗會(huì)使勵(lì)磁電壓產(chǎn)生諧波分量[6]，試驗(yàn)為了保證測(cè)量電壓波形和較準(zhǔn)確的功率損耗數(shù)據(jù)。因此，建議試驗(yàn)電壓宜采用10kV電壓且勵(lì)磁電源側(cè)為三角形接線。

3.3 鐵芯損耗合理性分析

本案例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該定子鐵芯損耗超標(biāo)不合格。該定子鐵芯鐵耗[7]超標(biāo)11.61%，其他指標(biāo)均符合要求。從鐵芯重量計(jì)算公式可以看出，該公式計(jì)算的鐵芯重量未計(jì)算定子鐵芯齒部的重量。較實(shí)際尺寸的鐵芯重量偏小。因此，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)鐵芯損耗，建議采用以下方法計(jì)算鐵芯重量。

由于現(xiàn)場(chǎng)到貨的鐵芯沖片都是規(guī)格相同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。因此，可以測(cè)量n片鐵芯沖片重量計(jì)算得出單片鐵芯沖片平均重量G0。測(cè)量n片鐵芯沖片外圓弧周長(zhǎng)計(jì)算得出單片鐵芯沖片平均外圓弧周長(zhǎng)l0。測(cè)量n片鐵芯沖片厚度計(jì)算得出該規(guī)格產(chǎn)品單片鐵芯沖片平均厚度b0。選測(cè)定子鐵芯XY正負(fù)軸方向（順時(shí)針俯視）等n點(diǎn)計(jì)算定子鐵芯平均高度 h0。

鐵芯外圓周長(zhǎng)為：

l=π×d2

鐵芯重量為：

式中：d2——定子鐵芯外徑；

K——定子鐵芯疊壓系數(shù)。該計(jì)算方法可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的定子鐵芯重量。從而準(zhǔn)確地得到鐵芯損耗值，進(jìn)而進(jìn)行綜合判斷定子鐵芯是否合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵芯損耗試驗(yàn)是評(píng)價(jià)定子鐵芯質(zhì)量的主要方法。選擇合理的試驗(yàn)參數(shù)，正確處理和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是正確判斷評(píng)價(jià)定子鐵芯質(zhì)量?jī)?yōu)劣的基礎(chǔ)。筆者發(fā)現(xiàn)一些工程試驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理和計(jì)算時(shí)缺乏深入探究，導(dǎo)致工程實(shí)際中造成了不必要的試驗(yàn)材料浪費(fèi)和不正確的質(zhì)量評(píng)價(jià)。本文查閱大量工程案例，并結(jié)合實(shí)例提出了筆者的建議和看法，希望對(duì)工程試驗(yàn)人員在實(shí)際工程應(yīng)用中能形成借鑒和參考。

[1] 蘇英倆．基于STM32的電工鋼片鐵損測(cè)試儀的研究和開(kāi)發(fā) [D]．浙江工業(yè)大學(xué)，2010：7-8．

[2] 李建明，朱康．高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2001：494-496．

[3] 莫會(huì)成，閔琳，于志剛，等．電機(jī)用硅鋼片鐵耗研究[J]．微電機(jī)，2008，41（11）：5-7．

[4] 程昱．水輪發(fā)電機(jī)定子鐵損試驗(yàn)[J]．西北水電，2011，（2）：63．

[5] 楊海龍，胡鑫凡．大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵損現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法[J]．電工技術(shù)，2014（7）：44．

[6] 王正茂，閻治安 崔新藝 蘇少平．電機(jī)學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2000：34

[7] 李友松．定子鐵損試驗(yàn)不合格的原因分析及處理[J]．廣西電力，2007（5）：23．

呂 滔（1984—），男，工程師，主要從事水電廠機(jī)組調(diào)試工作。E-mail：tao1-lv．jszx@sgxy．sgcc．com．cn

The parameter selection of hydropower generator stator magnetic test analysis

LV Tao
（The State Grid Xin Yuan holdings technology Co. Ltd.， Beijing 100161，China）

The stator magnetic test is an important method to evaluate the quality of generator stator core. This article introduces the method and principle of the stator magnetic test.Combined with an engineering case， the writer enumerate its test methods， test data calculation and test results. Through the comparison for calculate and results， points out that the wrong in the process of data processing. Correct the error of that in the excitation current and the magnetic field intensity and the weight of iron core. Combination with the basic formula gives a better calculation method of the test data and the suggestion.And according to the actual engineering experience， this paper proposes a more practical method for determination of iron core weight accurately.

Generator; Stator core; Silicon steel sheet;Magnetized test; Iron loss