水輪發電機增容改造鑒定試驗

田 波

(遼寧省葠窩水庫管理局有限責任公司，遼寧 遼陽 111000)

中小型老電站水輪發電機的增容改造，是充分挖掘潛力、開發水力資源、提高電站經濟效益的有效途徑，同時也是解決老機組安全問題的根本措施。水輪發電機增容改造時電站水頭和發電機的轉速不會改變，通常是更換轉輪、定子繞組及定子鐵心來實現。依據DL/T596- 1996《電力設備預防性試驗規程》的試驗項目和標準，核實發電機技術參數指標，鑒定水輪發電機改造后的增容效果是至關重要的。

葠窩發電廠3#水輪發電機通過更換高效率轉輪(HL240-LJ- 140)、定子繞組(F級絕緣，且線圈端部采用R、T聯接法)及定子鐵心(W310硅鋼片)，實現有功功率從3200kW增容至4000kW。3#水輪發電機增容改造前后技術參數見表1。

1 試驗項目及試驗結論

為鑒定水輪發電機改造后增容效果，依據DL/T596- 1996的規定進行試驗，核實發電機技術參數指標。

1.1 定子鐵心損耗試驗

1.1.1 試驗方法

試驗采用380V勵磁電壓。在被試定子鐵心上纏繞46圈，測量線圈為11匝。試驗持續時間為90min，用便攜式紅外測溫儀測量鐵心各個部分溫度，每隔10min紀錄一次電壓、電流、功率、頻率和鐵心溫度。

表1 3#水輪發電機增容改造前后技術參數

1.1.2 試驗數據

試驗數據見表2。

表2 定子鐵心損耗試驗數據

3#發電機定子鐵心軛部計算重量為2850kg。

最熱齒溫度t2為12.5℃，最冷齒溫度t1為9℃，鐵心初始溫度t0為7.5℃，換算到1T時最高齒溫差及鐵心最高溫升為：

最高齒溫差Δt1

鐵心最高溫升Δt2

1.1.3 試驗結論

(1)試驗標準

單位鐵心損耗ΔPFe≤1.3PFe10/50(1.755W/kg)。

在90min的試驗中，鐵心最高溫升Δt2<25K(按1T折算)。

在90min的試驗中，鐵心最大溫差Δt1<15K(按1T折算)。

(2)試驗結果

單位鐵心損耗1.34W/kg，鐵心最高溫升5.87K，鐵心最大溫差4.15K。鐵心試驗各項數據皆在標準范圍內，鐵心試驗合格。

1.2 定子繞組槽電位檢測

1.2.1 試驗方法

對定子各相各支路繞組施加相電壓，逐槽測量定子線棒防暈層表面與定子槽之間的電位差，測量表計采用高內阻電壓表。共抽檢21根線棒，每相抽檢7根線棒，每根線棒測量上、中、下3個部位。

1.2.2 試驗結果和結論

抽測的21根線棒的各點對地電位均小于0.5V。定子線棒槽電位一般都在10V以下，定子三相繞組經抽查試驗，三相定子繞組槽電位均達到要求。槽電位試驗結論合格。

1.3 定子繞組直流電阻測量

1.3.1 測量方法

使用QJ- 44型雙臂電橋測量直流電阻；同時用溫度計測量環境溫度；試驗分相、分支路進行。

1.3.2 試驗結果

試驗數據見表3，環境溫度10.5℃。

表3 定子繞組直流電阻試驗數據 單位：Ω

1.3.3 試驗結論

試驗標準：各相的直流電阻值，在校正了由于引線長度不同而引起的誤差后，相互間的差別及與上次測量值比較，相互不得大于最小值的1%。

該機各相間差別最大相差0.22%，符合規程要求，試驗結論合格。

1.4 發電機參數測試

1.4.1 試驗方法

采用交流靜測法，即試驗時發電機處于靜止狀態，轉子處于任意位置，并將轉子繞組經滑環短接，依次對定子繞組AB、BC、CA端加單相交流電壓(220V)，用MPIS-II型同步電機參數識別器測量發電機穩態及暫態參數。試驗接線如圖1所示。

G：發電機；M：MPIS-Ⅱ型同步電機參數識別器；K：自動空氣開關；AT：自耦調壓器；TA：電流互感器0.5級，100A/5A；A：電流表0.5級，0～5A；V1：交流電壓表0.5級，0～300V；V2：交流電壓表0.5級，0～150V圖1 發電機參數試驗接線圖

1.4.2 試驗結果

試驗數據見表4。

表4 發電機參數測試數據

1.5 發電機空載特性試驗

水輪發電機試驗最高電壓應為定子額定電壓的150%，但均不應超過額定勵磁電流。故空載試驗最高電壓為1.5×6.3=9.45kV，并同時滿足If

1.5.1 試驗步驟

(1)將發電機出口刀閘拉開，開啟機組到額定轉速并保持不變。

(2)調節勵磁電流升高定子電壓，每隔1～1.5kV記錄一次定子三相電壓UAB、UBC、UCA及勵磁電流If，直至最高電壓。而后減少勵磁電流，做下降特性，最后記錄勵磁電流為零時的剩磁電壓。

(3)試驗時必須注意勵磁電流只能單一方向進行增減。

1.5.2 試驗結果和結論

試驗數據見表5，空載曲線如圖2所示。定子殘壓約為120V。

由空載特性曲線可得出：當U0=UN時，If0=162A。根據空載試驗數據和試驗曲線可見：發電機定子三電壓對稱性很好。

表5 空載試驗數據

圖2 空載特性曲線

1.6 發電機三相穩定短路特性試驗

最大試驗電流為1.2IN=0.517kA。

1.6.1 試驗步驟

(1)拉開發電機出口刀閘。

(2)在靠近定子出線端，用不小于定子出線截面的銅排或鋁排將三相短接。

(3)將發電機起機后升至額定轉速，增加勵磁電流，每隔額定定子電流的10%～15%直至0.517kA，記錄定子三相電流IA、IB、IC及勵磁電流If，然后減少勵磁電流至0。

1.6.2 試驗結果

試驗數據見表6，短路曲線如圖3所示。

由短路特性曲線可得出：當Ik=IN時，Ifk=176A。短路比：Kc=If0/Ifk=162/176=0.920。

表6 短路試驗數據

圖3 短路特性曲線

1.6.3 試驗結論

根據三相穩定短路試驗數據和試驗曲線可見：發電機定子三相電流對稱性很好，短路比Kc=0.920，在規定允許的范圍內。

1.7 發電機空載電壓波形畸變率測定

1.7.1 試驗方法

發電機起機后作空載試驗過程中，將其調節至額定轉速(300r/min)、額定電壓(6.3kV)，并保持穩定。用NOWA- 1型諧波分析儀測量發電機出口TV二次電壓基波和各次諧波電壓的數值，即U1、U2、U3……Un，然后用下式計算畸變率，試驗結果見表7。

式中，Ku—波形正弦畸變率，%；U1—基波電壓有效值，V；Un—n次諧波電壓有效值，V。

表7 發電機電壓波形正弦畸變率測試數據

1.7.2 試驗結論

電壓波形正弦畸變率為0.52%。波形正弦畸變率合格。

1.8 發電機滿出力溫升試驗

1.8.1 試驗方法

采用直接負荷法分3個負荷點，由低到高負荷進行溫升試驗。各負荷點見表8。

表8 溫升試驗負荷點

發電機的溫升試驗接線如圖4所示。用LB- 5型發電機監測記錄儀測錄發電機有功功率P、無功功率Q、三相定子電壓Us、三相定子電流Is、功率因數cosφ、勵磁電流If。

發電機定子各部溫度、冷/熱風溫度由3#機組現地上位機“實時溫度測量數據”表讀取。轉子繞組溫度測量采用電壓電流法。為消除電刷壓降的影響，轉子電壓以專用銅網刷直接由轉子滑環進行測量。

圖4 發電機溫升試驗接線圖

1.8.2 試驗數據及曲線

發電機轉子繞組冷態電阻：t=13℃，Rf=0.244Ω。

試驗數據見表9，試驗曲線如圖5、6所示。

表9 溫升試驗數據

從溫升曲線可見，對應于Is=431.2A、If=339.5A時的各部分溫升為：定子繞組溫升54.12K；定子鐵心溫升33.94K；轉子繞組溫升51.29K。

圖5 定子溫升曲線

圖6 轉子溫升曲線

1.8.3 試驗結論

從試驗曲線可見，增容改造后在P=4MW，Q=2.48Mvar，cosφ=0.85，Us=6.3kV，Is=431.2A，If=339.5A時，定子繞組溫升為54.12K，定子鐵心溫升為33.94K，轉子繞組溫升為51.29K，均低于對應部分的允許溫升限值(90、80、75K)。

1.9 鑒定試驗結論

綜上所述，3#水輪發電機增容改造后，可以按P=4MW，cosφ=0.85長期運行，此次發電機增容改造是成功的。由于增容后發電機X″d(直軸超瞬變電抗)增大，突然短路時定子電流過流倍數降低，需校核和整定繼電保護的動作電流值。

2 結語

水輪發電機增容改造后的試驗項目以及標準依據DL/T596- 1996的規定進行。通過定子鐵心損耗試驗、定子繞組槽電位檢測、定子繞組直流電阻測量、發電機參數試驗、發電機空載試驗、發電機短路試驗、發電機空載電壓波形畸變率測定、發電機滿出力溫升試驗，核實發電機增容改造后的技術參數指標，根據試驗結果提出安全運行建議，保證增容改造達到預期目標。

[1] DL/T 838- 2003. 發電企業設備檢修導則[S].

[2] 陳錫芳. 水輪發電機結構運行監測與維修[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008: 67- 68.

[3] DL/T 596- 1996. 電力設備預防性試驗規程[S].

[4] 周若愚. 大型水輪發電機定子鐵損試驗技術研究[J]. 人民長江, 2014(05): 99- 102.

[5] 傅知蘭. 電力系統電氣設備選擇與實用計算[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004: 366- 414.

[6] DL/T 507- 2002. 水輪發電機組啟動試驗規程[S].

[7] 陳化鋼. 電力設備預防性試驗方法及診斷技術[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2009: 137- 183.

[8] GB/T 1029- 2005. 三相同步電機試驗方法[S].

[9] 王健軍. 葠窩發電廠1號發電機改造考核鑒定試驗報告[R]. 遼寧電力學科研究院, 2001.

[10] 張誠, 陳國慶. 水電廠電氣二次設備檢修[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011: 19- 48.