1750MW發(fā)電機(jī)定子鐵心試驗(yàn)方案研究與應(yīng)用分析

林 教，張 峰，孫延旭

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1750MW發(fā)電機(jī)定子鐵心試驗(yàn)方案研究與應(yīng)用分析

林 教，張 峰，孫延旭

（臺山核電合營有限公司，廣東臺山 529200）

本文分別從傳統(tǒng)鐵損試驗(yàn)、使用TROLLEY手持式小車和使用RIV自動小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)三種試驗(yàn)方案，探討適用于1750MW發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的定子鐵芯試驗(yàn)方案。結(jié)合不同ELCID試驗(yàn)方案在1、2號發(fā)電機(jī)上的實(shí)施和應(yīng)用分析，提出適用于1750MW發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的試驗(yàn)方案，為后續(xù)機(jī)組大修定子鐵芯檢查提供參考。

鐵損試驗(yàn)；ELCID試驗(yàn)；手持式小車；RIV自動小車

0 前言

1750MW發(fā)電機(jī)是目前世界上單機(jī)容量最大的汽輪發(fā)電機(jī)，由法國公司設(shè)計(jì)、國內(nèi)某制造廠制造。發(fā)電機(jī)為4極半速機(jī)，定子采用三段式結(jié)構(gòu)，分定子中段、兩端端罩，現(xiàn)場就位組裝后焊接成一個整體。

（1）主要參數(shù)如下：

型號： TA-1800-83S

視在功率： 1955.6MVA

額定功率： 1750MW

額定電壓： 27 kV

額定電流： 42767A

頻率： 50 Hz

功率因數(shù)： 0.9

效率： 98.9%

額定轉(zhuǎn)速： 1500 r/min

短路比： 0.47

額定氫壓： 6 bar

絕緣等級： F（溫升按B級考核）

冷卻方式： 水-氫-氫

（2）定子鐵芯數(shù)據(jù)[1]：

定子鐵芯總長度：L=8.325m

齒高：h=0.219m

定子鐵芯外徑：D=3.579m

定子鐵芯內(nèi)徑：D=2.270m

通風(fēng)溝數(shù)：=101

通風(fēng)溝寬：=0.003m

定子鐵芯疊壓系數(shù)：=0.97

鐵芯密度：=7.65×103kg/m3

為研究現(xiàn)場交接試驗(yàn)時定子鐵芯試驗(yàn)檢測方法，我公司發(fā)電機(jī)項(xiàng)目組分別討論了傳統(tǒng)鐵損試驗(yàn)方案、EL-CID試驗(yàn)方案。由于定子額定電流42767A，現(xiàn)場無匹配容量的試驗(yàn)電源，因此不具備進(jìn)行傳統(tǒng)的高強(qiáng)磁通的鐵損試驗(yàn)。最終采用由IRIS公司開發(fā)的定子鐵芯EL CID測試儀器進(jìn)行。

由于1750MW發(fā)電機(jī)機(jī)組容量大，尺寸較國內(nèi)1150MW核電機(jī)組大，定子鐵芯內(nèi)徑達(dá)2.27m。1號機(jī)試驗(yàn)時，使用常規(guī)的TROLLEY手動小車進(jìn)行試驗(yàn)，受限于測量人員高度，在測量頂部鐵芯數(shù)據(jù)時遇到困難，同時手動移動小車試驗(yàn)時耗費(fèi)時間多，工期長。因此研究并選購一套RIV自動小車在2號機(jī)現(xiàn)場交接試驗(yàn)時使用。通過1、2號機(jī)試驗(yàn)的對比發(fā)現(xiàn)，使用RIV自動小車不僅極大地提高了工作效率，節(jié)省了大量的時間，還克服了由于人工操作的不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)采集遺漏和偏差等問題，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

1 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法[2-6]

傳統(tǒng)的鐵損試驗(yàn)是在鐵心上繞上勵磁線圈，通以大電流，在鐵心中產(chǎn)生周向磁通，要求鐵心中的磁場強(qiáng)度達(dá)到或接近運(yùn)行時的磁場強(qiáng)度，以模擬發(fā)電機(jī)運(yùn)行時的情況。然后每隔一段時間用紅外熱像設(shè)備探測定子鐵心的表面溫度找出表面過熱點(diǎn)。

根據(jù)DL/T596-1996《電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》[7]，勵磁磁通密度為1T下持續(xù)試驗(yàn)時間為90min。結(jié)合1750MW發(fā)電機(jī)鐵芯參數(shù)計(jì)算勵磁電源如下：

定子鐵芯有效長度：

=(1-b)=7.78134m （取0.97）

定子鐵芯軛部高度：

=（1-2）/2-c=0.4355m

定子鐵芯軛部截面積：

=×=3.38877m2

定子鐵軛的平均直徑：

av=2(1/2-/2)=1-=3.1435m

定子鐵軛重量：

=av≈256.015×103kg

試驗(yàn)時取磁通密度=1.0T，電源頻率=50Hz，勵磁線圈匝數(shù)1=2匝時，根據(jù)公式1=4.44f×1×B×S，可確定勵磁電壓1＝1504.6138V。

勵磁電流：

=π×(1-) ×0/1（0:單位長度安匝數(shù)，取2.3×102）

=3.1415926×3.1435×2.3×102÷2

=1135.69(A)

勵磁功率：

=×1×10-3

=1135.69×1505.6138×10-3

=1709.91kVA

通過上述計(jì)算可知，使用傳統(tǒng)的鐵損試驗(yàn)方法，需要足夠大容量的試驗(yàn)電源和調(diào)壓器。綜合考慮該試驗(yàn)電壓高、電流大、持續(xù)時間較長，現(xiàn)場無滿足試驗(yàn)容量要求的設(shè)備和電源等因素，最終放棄使用傳統(tǒng)鐵損試驗(yàn)方案。

2 ELCID試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原理[8--11]

ELCID試驗(yàn)使用4%額定勵磁電壓的環(huán)形線圈對鐵芯勵磁并產(chǎn)生環(huán)路磁場，通過鐵芯表面的Chattock感應(yīng)探頭來檢測因故障電流產(chǎn)生的磁場，如圖1和2所示。

2.2 發(fā)電機(jī)勵磁電壓的計(jì)算

根據(jù)ELCID試驗(yàn)說明書[12]，對于發(fā)電機(jī)r由下式計(jì)算：

T——每相串聯(lián)匝數(shù)，而每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為2tp；

分布短距系數(shù)，通常發(fā)電機(jī)取0.92；

因此，由探測繞組測得的標(biāo)準(zhǔn)4%勵磁電壓由V= 0.04給出。

1750MW發(fā)電機(jī)額定線電壓27kV，定子96槽，4路并聯(lián)，帶入上述公式計(jì)算得出需施加的勵磁電壓V= 0.04=42.36V。

圖1 鐵芯橫截面故障電流

圖2 探測線圈掃描放置位置

2.3 試驗(yàn)方法與分析

試驗(yàn)接線如圖3所示，分別對定子中部和兩端端部進(jìn)行測試。

2.3.1 判斷標(biāo)準(zhǔn)[13-15]

ELCID 故障電流的判定是基于長期試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（4%額定勵磁時 100mA等效于LOOP/HFRT測試5~10°C溫升）。判斷故障電流的三大判據(jù)：

（1）故障電流幅值絕對值超過100mA；

（2）相電流與故障電流反相；

（3）相電流隨故障電流增加而增加。

以上三個條件同時滿足時才能判定為故障電流，如圖4所示。

圖3 EL-CID試驗(yàn)接線

圖4 故障電流波形與位置關(guān)系

2.3.2 示例分析

圖5所示為某電廠發(fā)電機(jī)定子第174槽鐵芯的試驗(yàn)波形，a曲線為故障電流波形，b為相電流。從圖中可看出故障電流約-260mA，絕對值遠(yuǎn)大于100mA，滿足判據(jù)1；相電流與故障電流相反，滿足判據(jù)2；相電流隨故障電流增加而增大，滿足判據(jù)3。因此可以判定該定子存在鐵芯短路情況。進(jìn)行鐵芯修復(fù)后，重新試驗(yàn)波形如圖6所示。從圖中可看出，故障電流不超過100mA，相電流雖然與故障電流反向，但不滿足判據(jù)3，因此不存在短路情況。

圖5 某定子第174槽故障電流波形圖

圖6 第174槽修復(fù)后試驗(yàn)波形

2.4 1750MW發(fā)電機(jī)鐵芯試驗(yàn)應(yīng)用

2014年8月，1號發(fā)電機(jī)進(jìn)行ELCID試驗(yàn)，定子鐵芯直線段最大q軸電流為-69mA，勵側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為74mA，汽側(cè)勵側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為61mA，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。對比出廠前進(jìn)行的試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)明顯偏差。如圖7為摘取定子鐵芯直線段85-96槽波形圖。

如前文所述，1750MW發(fā)電機(jī)容量大，定子膛內(nèi)徑2.27m，在試驗(yàn)前項(xiàng)目組找來身高約185cm的人員加入試驗(yàn)組，但在實(shí)際測試過程中，特別是進(jìn)行定子上部鐵芯試驗(yàn)時，由于長時間仰頭操作TROLLEY手持小車，試驗(yàn)進(jìn)展比較緩慢，人員也相對疲勞，最終完成1號機(jī)所有鐵芯試驗(yàn)耗時約2天。

根據(jù)1750MW發(fā)電機(jī)的維修策略，分A、B、C三個等級檢修，A、B級僅進(jìn)行局部檢修，C級檢修為抽轉(zhuǎn)子大修，時間周期為6C（10年），工期約30天。在如此緊湊工期內(nèi)，僅1項(xiàng)定子試驗(yàn)就占據(jù)2天工期，不滿足機(jī)組大修排期要求。為此項(xiàng)目組聯(lián)系IRIS公司，采購一套自動小車（RIV）用于定子鐵芯ELCID試驗(yàn)。

圖7 第85-96槽q軸電流曲線

3 RIV自動小車試驗(yàn)方法

3.1 自動小車簡介

RIV自動小車裝置由控制單元和遠(yuǎn)程控制檢測小車組成。遠(yuǎn)程檢測小車由兩個牽引驅(qū)動單元組成，通過可鎖定的滑桿連接兩個驅(qū)動單元以調(diào)整跨度。每個牽引驅(qū)動單元除了履帶之外，還有兩排內(nèi)置的永久性磁鐵。每個驅(qū)動單元都有單獨(dú)的電動機(jī)和齒輪箱。遠(yuǎn)程檢測小車有內(nèi)置的系統(tǒng)引導(dǎo)它沿鐵齒行進(jìn)。導(dǎo)向系統(tǒng)使用定位于四角的磁性傳感器探測鐵齒的邊緣，如圖8和圖9所示。

圖8 控制單元

圖9 自動小車及測試探頭

3.2 RIV自動小車的應(yīng)用

為研究RIV自動小車進(jìn)行定子鐵芯試驗(yàn)時的可靠性，項(xiàng)目組與IRIS專家進(jìn)行技術(shù)交流，討論自動小車可靠性及使用方法。針對國內(nèi)核電機(jī)組尚無使用經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合廠家人員在某核電2號機(jī)上進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，RIV自動小車內(nèi)置的永磁鐵可以牢固地吸附在定子鐵芯上；RIV自動小車在行進(jìn)過程中如發(fā)生位置偏移，內(nèi)置的導(dǎo)向系統(tǒng)可以自動修復(fù)行進(jìn)方向，保持直線行走。

2015年7月，2號發(fā)電機(jī)使用RIV自動小車裝置進(jìn)行定子鐵芯EL CID試驗(yàn)。定子鐵芯直線段最大q軸電流為35mA，勵側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為－53mA，汽側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為－29mA。摘取1-8槽鐵芯波形圖如圖10所示。

為分析試驗(yàn)RIV自動小車與TROLLEY手持小車兩種方式對測試結(jié)果的影響，摘取1-15槽鐵芯試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1，剩余81槽結(jié)果差異大致相同。

表1 1-15槽鐵芯試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可看出，相同鐵芯槽號中，使用RIV自動小車測試得出的最大q軸電流均小于出廠時使用TROLLEY手動小車的測量數(shù)據(jù)。由此可證明，使用自動小車時，Chattock感應(yīng)探頭所采集的信號比手動掃描時更加平穩(wěn)、連續(xù)，人為干擾因素較少。通過分析試驗(yàn)波形表明，使用自動小車時波形尖峰和毛刺較少。因此，使用RIV自動小車進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果更加可靠，更能反映定子鐵芯的真實(shí)狀況。

圖10 第1-8槽q軸電流曲線

3.3 問題分析及解決

3.3.1 自動小車行進(jìn)中會自動停止

使用自動小車進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)使用“AUTO”自動模式時，自動小車每次正向（NDE-DE）行走4m均自動停止，然后通過人工復(fù)位“FORWARD”鍵才會繼續(xù)前進(jìn)。

為分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，項(xiàng)目組分別將RIV自動小車在不同表面（鐵芯和桌面等）進(jìn)行測試，使用“AUTO”模式時，自動小車行進(jìn)一段距離后均自動停止，但各種表面自動停止距離不同。經(jīng)討論分析認(rèn)為，此種現(xiàn)象為RIV在自動模式下設(shè)置最大距離。為避免自動小車行程編碼器采集的位置信息隨行進(jìn)距離增加導(dǎo)致偏差增大，因此設(shè)計(jì)上在行駛一段距離后必須重新復(fù)位。同時自動小車在不同鐵芯表面運(yùn)動，由于摩擦力不同，因此停止距離不同。結(jié)合1750MW發(fā)電機(jī)特點(diǎn)及現(xiàn)場試驗(yàn)表明，直接用 “FORWARD”向前或“REVERSE”向后行駛，避免此問題。

3.3.2 小車偏航問題研究與解決

自動小車在左側(cè)（勵端向汽端看）“REVERSE”行駛（DN向NDE行駛）時，小車均會向下偏，需要試驗(yàn)人員手動糾正小車位置，而其余位置均能保證直線行走。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)及測試分析，認(rèn)為小車一側(cè)偏航，是由于兩側(cè)驅(qū)動皮帶轉(zhuǎn)速不相同引起的，可調(diào)控制單元“GUIDANCE BALANCE”兩側(cè)驅(qū)動傳感器中的微調(diào)按鈕。

另外，為保小車的正常行駛，可采取如下措施：

將距離顯示重置為零。將遠(yuǎn)程檢測小車在鐵心上行進(jìn)大約1m，檢查控制單元上顯示的距離與實(shí)際行進(jìn)距離是否相符合。將遠(yuǎn)程檢測小車反向行進(jìn)到起始位置并確定其距離顯示回零。在正向和反向行進(jìn)的過程中，確保小車兩端都可以輕觸鐵心表面，否則需調(diào)整遠(yuǎn)程檢測小車的寬度。

在遇到槽楔與定子鐵心內(nèi)表面不在同一平面的時候，可以選擇機(jī)械導(dǎo)軌片來改善遠(yuǎn)程檢測小車在光滑表面的導(dǎo)向。

不同機(jī)組由于定子內(nèi)徑曲度可能不一致時，自動小車每半邊都可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償不同直徑的鐵心的曲度。同時也可以使用彎曲橫桿來降低由于大跨度導(dǎo)致的額外高度。

4 結(jié)論

本文分別探討了三種定子鐵芯試驗(yàn)方案上的應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）鐵損試驗(yàn)

使用傳統(tǒng)的鐵損試驗(yàn)方法，能反映出定子鐵芯在額定工況下的溫升值，以及定子鐵芯的實(shí)際狀況，適用于制造廠等具備試驗(yàn)條件的定子鐵芯檢查。而在電廠檢修時，由于需要足夠大容量的試驗(yàn)電源和調(diào)壓器，現(xiàn)場往往無滿足要求的試驗(yàn)設(shè)備和電源，因此不具備現(xiàn)場試驗(yàn)條件。

（2）使用手持式小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)

使用手持式小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)，測試結(jié)果受試驗(yàn)人員操作影響較大，推進(jìn)速度的快慢影響數(shù)據(jù)信號的采集，容易造成信息采集的遺漏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。結(jié)合1750MW發(fā)電機(jī)定子內(nèi)徑大，定子長度長結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用手持式自動小車進(jìn)行試驗(yàn)，不滿足大修工期計(jì)劃要求。

（3）使用RIV自動小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)

從前述分析可得，使用RIV自動小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)，不僅極大地提高了工作效率，節(jié)省了檢修工期，還克服了由于人工操作的不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)采集遺漏和偏差等問題，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

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The Discussion and Application Analysis of 1750MW Generator Stator Core Test

LIN Jiao, ZHANG Feng, SUN Yanxu

( Taishan Nuclear Power Joint Venture Co., Ltd., Taishan 529200, China )

This paper discussed a traditional iron loss test, the use TROLLEY and RIV on ELCID test, and analyzed which test is suitable for 1750MW generator stator core. An optimal test method for 1750MW generator is proposed according to unit 1 and unit 2 practical experience.

iron loss test; ELCID; TROLLEY; RIV

TM311

B

1000-3983(2017)02-0065-06

2016-06-21

林教（1986-），2009 年畢業(yè)于武漢大學(xué)電氣工程與自動化專業(yè)，2010年起參與臺山核電發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)采購管理、發(fā)電機(jī)駐廠監(jiān)造、現(xiàn)場發(fā)電機(jī)安裝，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)維修工作，工程師。

審稿人：富立新