大型發電機定子鐵芯磁化試驗

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

大型發電機定子鐵芯磁化試驗

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

發電機在交接時或運行中，對鐵芯絕緣有懷疑時，或鐵芯重新組裝或更換、修理硅鋼片后，需要進行定子鐵芯的磁化試驗，以測定鐵芯單位質量的損耗，鐵芯軛部、齒部等各部溫升是否超過規定值，從而綜合判斷鐵芯片間的絕緣是否良好，判斷鐵芯的材料是否符合標準要求及鐵芯的組裝疊片質量是否合格。

本文以某抽蓄機組立式發電電動機定子鐵芯現場疊片后進行的鐵芯磁化試驗為例，介紹鐵芯磁化試驗的整個過程，試驗數據的分析及試驗注意事項。

發電機；定子鐵芯；磁化試驗

0 引言

發電機定子鐵芯是由硅鋼片疊裝而成，由于制造過程中可能存在的質量不良或在運行中由于熱和機械力的作用，可能引起片間絕緣損壞造成短路，在短路區域形成局部過熱，威脅機組的安全運行。所以發電機在交接時或運行中，鐵芯重新組裝或更換、修理硅鋼片后，或對鐵芯絕緣有懷疑時，需要進行定子鐵芯的磁化試驗，以測定鐵芯單位質量的損耗，鐵芯軛部、齒部等各部溫升是否超過規定值，從而綜合判斷鐵芯片間的絕緣是否良好，判斷鐵芯的材料是否符合標準要求及鐵芯的組裝疊片質量是否合格。

本文以某抽蓄機組立式發電電動機定子鐵芯現場疊片后進行的鐵芯磁化試驗為例，介紹鐵芯磁化試驗的整個過程，試驗數據的分析及試驗注意事項。

1 發電機參數

發電機參數見表1。

表1 發電機參數Tab.1 Generator Parameters

2 試驗接線及相關參數計算

2.1 試驗接線原理圖

定子鐵芯磁化試驗的基本原理，是利用專門纏繞的勵磁線圈，通以工頻交流電，使之在鐵芯內部造成交變磁通（鐵芯接近飽和狀態），從而在鐵芯內部產生損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗，使鐵芯中絕緣劣化的部分產生較大的渦流，溫度很快升高，用溫度計檢測各部位的溫升，并計算出鐵芯的單位鐵損，根據測量結果與標準要求比較，來判斷定子鐵芯的制造、安裝質量。定子鐵芯磁化試驗接線如圖1所示。

圖1 定子鐵芯磁化試驗接線Fig. 1 Wiring Diagram of stator core Magnetization Test

2.2 試驗參數計算

2.2.1 勵磁線圈匝數

式中U2——勵磁線圈電源電壓；

f——試驗電源頻率，Hz；

B——試驗時鐵芯軛部磁通密度，T；

S——定子鐵芯軛部截面，m2。

由于該試驗所需要的電源容量很大，在試驗過程中，通常會直接取電廠廠用電作為試驗電壓，比如可用10kV電壓作為勵磁線圈電壓，即U2=10000（V）。

B的取值，一種可遵循規程規定：透平型同步發電機取1.4T，水輪發電機取1.0T，磁密為1T下持續時間為90min，磁密為1.4T下持續時間為45min；另一種如果廠家有自行規定，在規程范圍內，可按照廠家規定進行。本文中遵照廠家的規定，B取1.2T，磁化試驗持續時間為30min。

定子鐵芯軛部截面S的計算：

式中L——定子鐵芯有效長度，m；

h——定子鐵芯軛部高度，m；

K——定子鐵芯填充系數，當硅鋼片厚度為0.35mm時，K取值范圍為0.91～0.93，當硅鋼片厚度為0.50mm時，K取值范圍一般為0.93～0.95；

L1——定子鐵芯總長，m；

n——定子鐵芯通風槽數；

b——定子鐵芯通風槽寬，m；

D1——定子鐵芯外徑，m；

D2——定子鐵芯內徑，m；

hc——定子鐵芯齒高，m。

計算定子鐵芯軛部截面S=0.738891（m2）；計算勵磁線圈匝數Nr≈50.8（匝）；當勵磁線圈匝數較多時，考慮線圈本身的電壓降落，為保持1.2T的磁密，通常Nr比計算值減少1～2匝。本文取Nr=48匝。

2.2.2 勵磁電流

式中Dav——定子鐵軛的平均直徑，m；

H0——單位長度安匝數，磁密在1T時，取（2.15～2.3）×102安匝/m，磁密在1.2T時，取值為（2.0～2.7）×102安匝/m，本文取2.5×102安匝/m。

Dav=D1-h=5380-348=5032（mm）=5.032（m）；

計算I=82.3（A）；

勵磁線圈導線截面按每平方毫米（銅芯）不大于3A的電流密度選擇，本文電流密度β取2A/mm2。

計算勵磁電纜截面積sL=I/β=41.15mm2

本文勵磁電纜選用10kV無屏蔽交聯電力電纜，根據勵磁電流的大小，并留有一定裕度，選擇單芯70mm2規格的電纜。

2.2.3 電源容量

試驗電源容量S（視在功率）計算

式中：KS一般取1.1，或根據實際需要確定。

本文中計算電源容量S=1.1×10000×82.3×10-3=905.3（kVA）；

2.2.4 測量線圈

當磁通密度B=1.2T時，測量線圈的感應電壓為

式中：Nm為測量線圈的匝數，取1匝。

計算U2=196.84V，所以，測量線圈采用單匝2.5mm2多芯銅導線，選用300V的電壓表測量。

2.3 試驗設備的保護設置

試驗中需要兩相供電，本文中的試驗電源取自電廠220kV廠用變壓器，通過其低壓側10kV備用饋線開關3G-9送至試驗現地10kV開關，通過試驗勵磁電纜接至試驗現地10kV開關的A、C相。試驗設備保護設置既能滿足要求，還應能躲開合閘時刻的勵磁涌流。

廠用高壓變壓器的主要參數：額定電壓為230×（+1/+17×1.25%）/10.5kV，額定容量為25000kVA，額定電流為62.8/1374.6A，聯結組別YNd11。廠用高壓變壓器的保護設置不變，其CT變比為1500/5A，保護定值為：差動0.2A/0s，過流Ⅰ段1.18A/0.7s，過流Ⅱ段1.18A/1.2s，過負荷0.81A/1.7s。

3G-9開關的參數：額定電流630A，額定電壓12kV，額定短路開斷電流25kA，額定動穩定電流63kA，CT變比為100/5A。3G-9開關的原保護設置為：過流1.60A（一次值160A）/1.2s，速斷9.2A（一次值920A）/0.04s，為配合試驗需要，將過流的保護定值時間更改為0.7s，其他定值保持不變。修改完成后，校驗保護裝置正確動作。

該段母線另有一保護，即3G母線三相電壓不平衡，3U0達到定值（10V）后跳3G-9開關，由于試驗中只在A、C兩相接線，且帶純感性負載，會引起三相電壓不平衡，因此將3U0定值調至15V，防止在試驗過程中跳閘，使試驗中斷。

試驗現地10kV開關CT變比300/5A，保護定值設置為：速斷15A（一次值900A）/0s，過負荷2.5A（一次值150A）/0.5s。

3 主要設備、材料及工具

主要設備、材料及工具見表2。

4 準備工作

4.1 定子鐵芯清掃檢查

試驗前，對定子各部位進行徹底的清掃，全面檢查機座和鐵芯，檢查通風溝、上下端部位置、各環板間無殘留金屬物件和其他雜物。將定子機座與基礎支墩再次緊固，并用不小于300mm2銅芯線接地線使定子機座可靠接地。同時，鐵芯測溫電阻RTD也必須短接接地。

表2 主要設備、材料及工具Tab.2 Materials and Tools list for Testing

4.2 試驗設備準備

檢查試驗現地10kV開關柜斷路器操作回路，設定定值并進行定值校驗，校驗開關柜保護裝置動作正確，保護裝置整定值及延時時間應小于上級10kV饋線柜保護整定值。10kV電源電纜和勵磁電纜做耐壓試驗。

4.3 線圈纏繞

由于發電機定子直徑較大，為降低由于磁密不均所引起的誤差，勵磁線圈采用1個支路均勻纏繞分布，選用70mm2銅芯交聯電力電纜，勵磁線圈緊貼在鐵芯齒表面（不入槽），電纜與鐵芯接觸處均墊以5mm厚的膠皮保護，纏繞勵磁線圈48匝。

測量線圈一匝，用2.5mm2的多芯銅線纏繞在鐵芯適當位置緊貼在槽底。

5 試驗程序

（1）檢查完成后，在確認上級主回路開關斷開的情況下，現地開關作分合閘操作試驗，分合閘應正確可靠。

（2）試驗指揮發令，試驗人員就位，記錄各測溫點原始溫度。注意：首次通電后要根據讀數校核磁化時磁通密度在1.2T左右，如偏差過大要調整勵磁線圈匝數。

（3）合上斷路器3～6min后斷開，全面檢查鐵芯各部位有否過熱現象，如發現冒煙、局部過熱、發紅、冒火花（應關燈檢查），應立即跳閘停止試驗，查明原因；若各部分無異常，即正式開始試驗（對個別溫度較高處加設測溫點）。

（4）鐵損試驗過程持續30min，本文的定子鐵芯為現場新疊片完成，所以整個試驗過程持續8h，試驗合閘后前30min為鐵損試驗，檢查鐵芯有無片間絕緣，測量鐵芯溫升、溫差及損耗，后面持續進行的試驗目的主要是利用電磁振動，使鐵芯充分振動，檢查鐵芯疊片的壓緊力是否合格，試驗完成后需再次對鐵芯進行壓緊及測量，保證鐵芯的壓緊力符合設計要求。

6 安全注意事項

（1）因本試驗負荷大，且兩相供電，故不得有與之相關的其他工作面作業。

（2）多余勵磁和供電電纜用無磁繞法纏繞，以免形成過大壓降。

（3）試驗人員不能帶鐵磁物質進入定子內，并關閉手機或其他可能因強磁場損壞的設備。試驗中檢查定子膛內各部溫度時，應穿絕緣鞋，不能雙手同時直接觸摸鐵芯，以防觸電。定子膛內不得存放金屬物件。

（4）嚴禁使用水銀溫度計測量。

（5）鐵芯內部所有RTD測溫電阻可靠接地、檢測穿芯螺桿絕緣電阻符合要求。發電機座一點可靠接地。

（6）試驗過程中若發現鐵芯任何一處溫度超過規定值，或個別地方發熱厲害、冒煙或發紅，應立即停止試驗。同時應監視鐵芯振動及噪聲等情況，有異常同樣應立即停止試驗。

（7）現場配備一定數量干粉滅火器，以防發生意外。

（8）試驗現場用警示條圍起來，懸掛警示標志，由專職安全員監守，非工作人員嚴禁入內。

（9）勵磁電纜及供電電纜與定子鐵芯、定子繞組及機座凸棱處應墊有足夠強度的絕緣材料。

（10）試驗中測量儀器儀表的準確度不低于0.5級，測量用儀用互感器的準確度不低于0.2級。功率表選用低功率因數瓦特表。

7 試驗結果分析

7.1 質量標準

按照國標GB/T 20835—2007《發電機定子鐵芯磁化試驗導則》中的標準，在規定的磁通密度下，試驗經過規定時間后，水輪發電機鐵芯最大溫升限值小于或等于25K，鐵芯相同部位溫差限值小于或等于15K。鐵芯比損耗值不得大于所用硅鋼片的標準比損耗的1.3倍。

本文設備的廠家標準要求在接近額定感應狀態下勵磁30min后，測得的熱點溫差不超過5K。8h的試驗過程中，定子鐵芯溫度不得超過90℃（鐵芯與機座的溫差不超過60℃），若超過90℃，需要停止試驗，待溫度下降后，再繼續進行試驗。

7.2 試驗測量數據

試驗測量數據見表3。

表3 試驗測量數據Tab.3 Test Measurement Data

7.3 試驗結果

根據試驗測量數據，初步計算的試驗結果（根據第一組測量數據計算）：

試驗時的磁密B'=U2/4.44fSW2=210.28/4.44×50×0.74×1=1.28（T）；

1T時定子有效鐵芯單位鐵損：

其中，G為定子鐵芯軛部質量（kg），7.8×103為鐵芯密度（kg/m3）；Pfe為實測總損耗，為180.64kW。計算結果為ΔP=1.21W/kg。

按照廠家標準，實測單位鐵損應不大于標準鐵損（1.05W/kg）的1.3倍，即不大于1.365W/kg。

鐵芯最高溫升為。

式中t——最高鐵芯溫度，K；

t0——鐵芯初溫，K。

計算最高溫升小于25K。根據表3，鐵芯相同部位溫差小于15K。試驗合格。

8 結束語

本文通過試例介紹了鐵芯現場疊片后進行磁化試驗的過程，包括試驗的整個計算過程，希望能對同行提供幫助。

[1] 李建明，朱康.高壓電氣設備試驗方法（第二版）.北京：中國電力出版社，2001.LI Jianming，ZHU Kang. Test methods for high - voltage electrical equipment （Second Edition）. Beijing: China Eeletric Power Press，2001.

[2] GB/T 20835—2016，發電機定子鐵芯磁化試驗導則.GB/T 20835—2016，Guideline for magnetization test of generator stator core.

[3] 吳立忠. 定子鐵芯磁化試驗，水電站機電技術，1989（4）：26-28.WU Lizhong. Generator stator core magnetization test. Electromechanical Technology of Hydropower Station，1989（4）： 26-28.

[4] 顏昌明.水電站定子鐵芯磁化試驗簡析.科技與企業，2012（17）：300-302.YAN Changming. Analysis of stator magnetization test of hydropower station. Technology and Enterprise，2012（17）： 300-302.

[5] 李彪. 發電機的定子鐵芯磁化試驗.數字通信世界，2015（10）.LI Biao. Generator stator core magnetization test. Digital Communications World，2015（10）.

2016-06-15

2017-05-10

付朝霞（1980—），女，工程師，主要研究方向：電力系統及其自動化。E-mail：sunnyfzx@sina.com

Magnetizing Test for Stator Core of Large Generator

FU Zhaoxia
（Beijing Shisanling Power Station，Beijing 102200，China）

When the generator stator core has insulation problems，need to do core magnetization test to check the Insulation between the laminations is good or not. In this paper， the core magnetization test of a pumped storage power generation units vertical motor stator core laminations after scene as an example， introduce the whole process of core magnetization test and how to analyze the test data.

Generator；Stator core；Magnetic examination

TM31

A學科代碼：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.019