大型水輪發電機電氣試驗研究及相關規程討論的認識

摘要：水輪發電機是水力發電站主要的動力設備，水流經過水輪機之后將水能轉換為機械能，其可以分為微型水輪發電機、小型水輪發電機、中型水輪發電機以及大型水輪發電機。電氣試驗是檢驗發電機安裝過程、結果質量的重要手段，水電站建設過程中必須要做好水輪機的電氣試驗。文章對大型水輪發電機電氣試驗的相關內容及試驗規程進行了分析。

關鍵詞：大型水輪發電機；電氣試驗；試驗規程；水力發電站；動力設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM301 文章編號：1009-2374（2017）08-0177-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.086

隨著科學技術及現代工業的迅速發展，能源危機日益加劇，這極大地推動了水電市場的發展。近年來，越來越多的大型水利發電站開始投入建設運行，水輪發電機是水利發電站中重要的動力設備，它的正常運行直接關系著水電站的運行效率及運行質量，因此關于水輪發電機的研究課題十分受歡迎。電氣試驗是檢驗水輪發電機安裝質量的重要手段，對于確保整個發電機組的安全、穩定、長期運行有著十分重要的意義。水輪發電機電氣試驗過程中需要嚴格遵守相關的技術規范及標準進行，只有這樣才能夠保證試驗結果的精準度，更好地為水輪機組服務，下文就大型水輪發電機組電氣試驗的方法及標準進行探究討論，僅為行業內有關人員的工作提供參考。

1 大型水輪發電機定子鐵芯磁化試驗

1.1 定子鐵芯有效面積及勵磁線圈

1.1.1 定子鐵芯有效面積計算（A）。定子鐵芯的有效面積指的是鐵芯軛部高度（L）與有效高度（h）的乘積。定子鐵芯的外徑尺寸為D1，內徑為D2，鐵芯的高度為L1，通風溝的寬度為L2，數量為n，定子槽深記為b。定子鐵芯的有效高度可以用以下公式進行計算：

L=K1×（L1-n×L2）

式中：K1指的是鐵芯的疊壓系數。定子鐵芯安裝過程中，具體的安裝工藝不同，鐵芯的疊壓系數可能也存在著一定的區別，一般都是由鐵芯的生產廠家提供的，定子鐵芯疊壓時如果采用的是熱壓工藝，鐵芯的疊壓系數取0.97，如果采用的是冷壓工藝，鐵芯的疊壓系數可以取0.95，定子鐵芯主要影響的是鐵損計算值，對于試驗電源的影響較小。

定子鐵芯的軛部高度（h）采用以下公式進行計算：

h=（D1-D2）/2-b

1.1.2 勵磁線圈安匝數（AW）。AW=×（D1-h）×aw，式中：aw指的是定子鐵芯單位長度所需要的安匝數，該數值一般根據鐵芯材料的性質決定，就目前來說，磁感應強度為1T時，國產大中型發電機組中，定子鐵芯單位長度安匝數一般為2.15～2.3A匝/cm，根據實踐經驗，大多數情況下都取1.5～2A匝/cm。安匝數會影響到勵磁電纜界面及試驗電源容量的選擇，進而影響電氣試驗的成本及安全性，通常情況下，安匝數較大時，電氣試驗更加安全，但與此同時，試驗的成本也會增加，因此必須要合理選擇安匝數。

一匝測量線圈感應電壓U2=4.44f×A×B，則勵磁線圈的匝數W1=變壓器次級電壓等級/一匝測量線圈感應電壓，W1應取整數。鐵損電流大小Im=AW/W1。

勵磁電纜選擇時，要確保勵磁電流值在導線額定電流值的50%～70%，不能使用鎧裝電纜或者鉛皮作為導線，導線必須要保證良好的絕緣性。測量線圈可以選擇比較細的導線，纏繞的圈數主要根據功率表電壓線圈允許數值決定。

1.2 電氣試驗結果的分析判斷及相關標準

根據相關的電氣裝置安裝規程電氣設備交接試驗標準規定，試驗過程中的磁通密度為0.8～1.0T，按照磁通密度折算各點的溫度時，鐵芯齒部最高溫升應小于等于45℃，各齒的最大溫差應小于等于30℃，如果是新機，齒部溫升應控制在25℃以下，溫差應控制在15℃以下，試驗持續的時間應控制在90min左右。根據水輪發電機組安裝技術規范的有關規定，大型水輪機定子鐵芯磁化試驗過程中，磁感應強度按照1T進行折算，試驗時間控制在90min，鐵芯處最高溫升應小于等于25K，齒間相互的最大溫差應小于等于15K，鐵芯與機座之間的溫差應嚴格按照制造廠家的相關規定進行控制，單位鐵損同樣需要符合制造廠商的相關規定，且確保定子鐵芯沒有錯出現其他異常情況。

試驗過程中，按照電氣裝置安裝規程電氣設備交接試驗標準，實際的磁通密度控制在0.8～1.0T之間，試驗時間同樣是90min，水輪發電機定子現場裝配工藝導則規定，磁感應強度應控制在1.0T左右，不得低于0.9T，試驗時間90min，除此之外，還有一些相關的試驗規范也對磁感應強度進行了規定，比如1～1.2T、90min，1.5t以下、45min，國外的水輪機機組一般采用1～1.2T。

實際的定子鐵芯磁化試驗過程中，選擇1～1.2T的磁通密度，磁化效果較好，能夠保證鐵芯內部的磁場盡可能達到飽和狀態，可以更好地考驗各個部分的溫升，同時隨著時間的推移，磁通密度會呈現下降的趨勢，因此試驗剛開始時磁通密度取較大的數值能夠確保后期試驗過程中磁通密度始終處于1T左右。現階段我國的大部分水電站水輪發電機組都采用的是1T左右的磁通密度，磁化試驗的時間大多控制在90min，

就磁化過程中的單位鐵損情況來說，目前我國基本上所有的規程中都明確指出，單位鐵損必須要符合生產廠家的相關規定。大型水輪機組的定子鐵芯需要進行現場的疊壓，因此制造廠家一般會給出一個控制值，該數值按照材料的特征單位損耗乘以一個系數進行計算。實際的磁化試驗中，鐵芯的損耗值根據鐵芯的質量及測得的功率損耗進行計算，一般情況下，鐵芯的安裝質量與計算質量可能會存在著較大的區別，一旦出現單位鐵損超標的現象很難進一步處理。

1.3 其他問題

1.3.1 溫度測量。鐵芯磁化試驗過程中需要測量試驗溫度，但大型水輪機組的勵磁電源多為高壓電源，因此使用酒精溫度計進行測量的方法在這里并不適用，不僅操作不便，讀數也不夠準確。相對而言，熱電偶測量方法精度較高，但實際測量過程中布線比較麻煩，還容易受到強磁場及補償線長的影響，誤差較大，三峽水電站采用的是紅外線熱像儀測量方法，精度高但價格比較昂貴，現階段難以普及，因此大型水輪機組鐵芯磁化試驗溫度測量時可以采用熱電偶方法輔助監測，遠紅外測溫儀重點監測的方法。

1.3.2 勵磁電源選擇。大型水輪發電機磁化試驗的勵磁電源應控制在6～10kV之間，電源電壓過低時，勵磁電流較大，電纜的截面同樣較大，控制起來不夠便捷，電源電壓較小時，勵磁電流較小，電纜匝數較多，電纜纏繞施工十分不方便，也會造成電纜的浪費，因此6～10kV之間即可，具體的數值需要根據水輪機組的實際情況進行合理的選擇。

1.3.3 勵磁電纜纏繞時串并聯方式選擇。勵磁電纜纏繞時并聯或者串聯的方法均可以，兩種方法各有優缺點。串聯纏繞時，每匝線圈中電流的大小均相等，因此不需要考慮局部電路電壓的損耗問題，比較切合實際，但是當電纜較長時，纏繞施工比較麻煩，一旦需要臨時調整匝數，十分不方便。并聯纏繞的方式施工起來比較簡單，如果需要臨時調整匝數也比較方便，但試驗過程中需要嚴格控制每匝線纜的截面、長度，以免局部支路電纜不均衡，具體采用哪種纏繞方式需要根據水輪機組實際的工作情況決定。

2 大型水電機組定子整體試驗

2.1 定子繞組交流耐壓試驗

現階段我國的定子繞組交流耐壓試驗的耐壓標準與國外的標準并不一致，以工地組裝的大型發電機組為例，國內主要采用的是2倍額定線電壓加上3kV的耐壓標準。大型發電機耐壓試驗過程中需要考慮設備的電壓波形、容量、電壓保護、電流保護等問題，現階段大型發電機耐壓主要有串聯諧振、并聯諧振及諧振變壓器幾種，串聯諧振波形最好，發生擊穿后對水電機組的損傷最小，但實際使用過程中容易受到外部電源的影響，試驗時對電源的要求比較高，隨著電壓的升高，電源必須要同步調諧，操作比較困難。另外，兩種變壓器諧振相對較差，但操作比較簡單，大型發電機定子耐壓試驗中，考慮到機組安全性問題，優先選擇串聯諧振耐壓設備。

2.2 定子繞組絕緣電阻測量

根據相關的國標規定，大型發電機定子試驗過程中需要測量絕緣電阻、吸收比或極化指數幾個重要的參數，尤其是極化指數非常重要。大型發電機電容量較大，兆歐表的充電容量不同會導致測量過程中15s及60s絕緣電阻值測量結果存在差異，另外，極化指數不容易受到環境溫度等因素的影響，可信度較高。

2.3 定子繞組直流耐壓試驗

國內的相關標準明確規定，直流耐壓試驗在交流耐壓試驗之前進行，實際上，新安裝的水輪發電機組十分有必要進行直流耐壓試驗，有利于相關工作人員及時的發現機組的局部缺陷，避免機組運行或者交流耐壓試驗過程中出現各種故障。除此之外，直流耐壓試驗在判斷機組絕緣受潮等故障時比較準確，在南方較潮濕的地區尤其需要重視直流耐壓試驗。

3 大型水輪發電機轉子磁極試驗

3.1 絕緣電阻測量

國家相關標準明確規定轉子磁極絕緣電阻采用1000V兆歐表進行測量，勵磁電壓以200V為分界點，低于該數值時采用1000V兆歐表進行測量，超過時應采用2500V兆歐表進行測量。根據有關國家標準，大型發電機轉子磁極整體耐壓標準為10倍勵磁電壓，大于或者等于1500V，因此大型發電機轉子磁極絕緣電阻采用2500V兆歐表進行測量，測量過程中需要對絕緣電阻是否放電進行實時監視，測量結果合格之后才能夠進行交流耐壓試驗。

3.2 磁極交流阻抗測量

磁極交流阻抗測量在判斷轉子圓度、磁極掛裝工藝等方面都有著重要的作用，能夠十分明顯地反映磁極匝間短路現象，磁極交流阻抗測量必不可少。根據國家相關的標準，磁極前后交流阻抗需要分別測量，測量結果沒有明顯的變化即可。磁極交流阻抗值能夠反映磁極繞組是否存在匝間短路現象，磁極安裝完成之后即可進行測量，整體試驗中需要進行比較測量。如果測量結果顯示磁極掛裝前后轉子磁極交流阻抗值合格，但全部安裝連接完成之后再次測量發現存在著多處不合格的問題，則

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很有可能是因為相關施工人員在安裝過程中踩踏磁極上端部導致磁極出現匝間短路引起的。

磁極安裝過程中，受到種種因素的限制，磁極交流阻抗值可能會存在著一定的誤差，此時需要詳細地分析引起匝間短路的原因。部分擴容改造機組的轉子經常會進行加墊或者打磨處理，會影響交流阻抗的數值，相關工作人員需要綜合判斷加墊及打磨厚度，進而處理匝間短路事故。

4 結語

隨著水利水電事業的迅速發展，越來越多的大型水輪發電機組開始投入使用，為了保證水輪機組運行的安全及穩定，必須要重視電氣試驗，本文主要從大型水輪發電機定子鐵芯磁化試驗、水電機組定子整體試驗、發電機轉子磁極試驗三個方面就大型水輪機組電氣試驗的相關規程進行了簡單的分析，僅為電力系統有關研究人員的這部分工作提供參考。

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作者簡介：黃勝勇（1974-），吉林汪清人，汪清滿臺城綜合開發有限公司工程師。

（責任編輯：小 燕）