烏東德水電站定子磁化試驗計算分析

曹 琳，陳穎潤

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

烏東德水電站定子機座的定子鐵芯由0.5 mm厚的硅鋼片疊裝而成，分層壓緊，并用高強度螺栓壓緊，定子鐵芯通過鴿尾形定位筋固定于定子機座上，鐵心疊片前需要對鐵片進行逐箱檢查、清掃[1-2]。定子鐵芯磁化試驗過程如下。

1 試驗目的

發電機定子鐵芯磁化試驗主要是測量定子鐵芯的總功損耗及定子鐵芯、機座、齒壓板等各部位的溫度，定位局部過熱點，從而計算出鐵芯的單位損耗及溫升，識別局部缺陷，綜合判斷定子鐵芯的制造以及安裝質量是否符合設計要求。

2 試驗基本原理

定子鐵芯磁化試驗的基本原理是：在疊裝完成的發電機定子鐵芯上纏繞勵磁繞組，并通入交流電流，使之在鐵芯內部產生接近飽和狀態的交變磁通，從而在鐵芯中產生渦流和磁滯損耗，使鐵芯發熱。

用埋設的溫度計測量定子鐵芯、上、下壓板及定子機座的溫度，計算出溫升和溫差；用紅外線測溫儀查找局部過熱點及輔助測溫；在鐵芯上纏繞測量繞組，測量其感應電壓，計算出鐵芯總有功損耗。將測量結果與設計要求進行比較，以判斷定子鐵芯的制造與安裝質量[3]。

3 編制依據

（1）GB/T 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》

（2）GB/T20835-2016《發電機定子鐵心磁化試驗導則》

（3）SL600-2012《水輪發電機定子現場裝配工藝導則》

（4）金沙江烏東德水電站850MW水輪發電機組安裝質量檢測標準

（5）金沙江烏東德水電站右岸電站機電設備安裝與調試工程合同

4 試驗準備

4.1 試驗前檢查

（1）試驗前檢查試驗儀器、儀表，保證其能夠滿足試驗要求；并對所有相關試驗設備及儀表進行校驗，合格后方允許使用，向監理部門出示校驗合格證書。

（2）對定子進行徹底地清掃，全面檢查機座和鐵芯，移走所有與試驗無關的設備。

（3）將壓指、鐵芯等所有溫度計引線用地線連接，確保測溫元件不受損壞。

（4）將所有的槽樣棒取出。

（5）檢查通風溝、上下端等位置以及各環板，保證無殘留金屬物件。

（6）完成緊固定子鐵芯所有拉桿螺絲等全部機械工作。

（7）用95 mm2的銅編織線將定子機座可靠一點接地。

（8）檢查供電電源已具備試驗條件。

（9）試驗前，將試驗用三相高壓電纜及單相高壓電纜做好電纜終端頭，并進行試驗。

（10）準備兩臺應急燈和4個手電筒。

4.2 試驗電源準備

根據現場條件，選用10 kV勵磁電源。

4.3 試驗計算

烏東德電站機組定子鐵芯斷面如圖1。

圖1 定子鐵芯斷面圖

4.3.1 定子鐵芯基本參數

鐵芯內徑：d1=17 850 mm。

鐵芯外徑：d2=18 900 mm。

鐵芯高：h=3 120 mm。

鐵芯壓緊系數：取k=0.96（制造廠提供的數據）。

通風溝寬度：b=6 mm。

通風口數量：n=60。

硅鋼片安匝數：取H0=1.7 A/cm（制造廠提供的數據）。

槽形尺寸：（定子線棒槽深h1）208.1 mm×（定子線棒槽寬）25.3 mm，h1=208.1 mm。

鐵芯總重：555 000 kg。

4.3.2 計算

（1）鐵芯有效長度：L=k×(h-n×b)=264.96 cm。

（2）鐵芯軛部高度(ha)：ha=(d2-d1)/2-h1=31.69 cm。

（3）鐵芯截面積（S）：S=L×ha=8 396.582 cm2。

（4）勵磁線圈匝數(W1)：

W1=U1/(4.44f×S×B)×108=51.09（取B=1.05×104高斯）；匝數取50匝(U1為勵磁線圈電壓 10 000 V，f為50 Hz)。

（5）勵磁繞組電流（I）：

I=π（d2-ha）H0/W1=198.39 A（令H0=1.7）。

（6）電源容量（P）=U1I=3 436.11 KVA。

若測量線圈取W2=1匝，則測量電壓U2=U1W2/W1=10 000/50=200 V。

勵磁線圈導線的選擇：按每3.5 A/mm2計算，所需勵磁電纜芯線截面積為190.76/3.5=54.5 mm2，選用一根70 mm2的10 KV電纜，均勻纏繞，總長度約為800 m。

4.4 試驗布置

（1）試驗區域布置，見圖2標準化安全防護措施，設置區域隔離，放置足夠的干粉滅火器，定子周圍設置圍欄，防止高空墜落，試驗人員有相應的資格證書。

圖2 試驗區域布置

（2）在測量區域設置兩張桌子，放置測量儀表。

（3）勵磁電源布置：勵磁電源進線高壓開關柜布置在定子5 m處，電源從臨時供電點10 kV高壓開關柜上端引入試驗用高壓開關柜，高壓開關柜根據試驗要求，整定好過流保護定值，并驗證保護功能是正常的。

（4）布置勵磁線圈如圖3所示。

圖3 勵磁線圈纏繞方式示意圖

在定子鐵芯上按相同方向、平均分5個區域集中纏繞勵磁線圈，每個區域繞10匝。試驗期間存在繞組數變更的可能性，勵磁電纜頭和尾需留有纏繞定子鐵芯兩圈約30 m的余量。勵磁線圈纏繞、固定完成后，必須仔細檢查無誤后用2 500 V搖表檢查勵磁電纜絕緣。

（5）紅外熱成像儀：業主或廠家提供紅外熱成像儀隨時監測各位置溫度，重點監視各過熱區域的溫度。

（6）溫度測量（熱電偶）的布置：鐵芯上按+X、-X、+Y、-Y、+X+Y、+X-Y、-X+Y、-X-Y八個方向的上、中、下部各放置一個熱電偶測溫計，總共安裝24個熱電偶；在+X、-X、+Y、-Y方向的上下壓板上，也各放置一個熱電偶，上下壓板安裝的熱電偶共是8個；在定子機座上按對應上中下部鐵芯溫度計的位置放置12個熱電偶；在鐵芯背部按+X、-X、+Y、-Y、四個方向的上、中、下部標好點，并用紅外測溫儀監測。在定子內圓內利用紅外熱成像儀隨時監測各位置溫度，以便檢查和發現局部過熱點。在試驗過程中安裝施工人員現場監測溫度計數據。

（7）測量線圈的布置：為檢查鐵芯磁場是否均勻，確保測量電壓正確，在鐵芯180°方向布置兩組測量線圈，用2.5 mm2的導線，在兩組勵磁線圈中間緊靠定子鐵芯位置纏繞1圈，測量繞組導線從上下壓板的縫隙中穿過，各繞1匝，分別引至U21與U22并接線。測量繞組應包繞定子有效鐵芯，但不應包繞定子整個機座。

（8）試驗過程中，機坑內安排測量2名人員，讀取熱電偶測溫裝置測溫讀數。機坑外安排測量人員4人，+X、-X、+Y、-Y方向各一人，讀取定子機架測溫讀數及用紅外測溫計測量鐵芯背部溫度，準備4架木梯子。試驗人員安排三人在試驗區域對電壓、電流、功率、頻率等讀數記錄，安排一人測量噪聲，安排一人進行現場監護及數據歸總。

4.5 測量布置

測量布置如圖4～圖6。

圖4 測量布置剖面圖

圖5 定子鐵芯溫度計布置方位圖（單號在上，雙號在下）

圖6 定子齒壓板及機座溫度計布置方位圖

5 試驗說明

5.1 試驗接線

定子鐵芯磁化試驗接線如圖7所示。

圖7中：U1為勵磁電壓測量電壓表；U21、U22為感應電壓測量電壓表；A為勵磁電流測量電流表；W為低功率因素瓦特表；PT為電壓互感器；CT為電流互感器；DL為斷路器；f為頻率表。

測量線圈用2.5 mm2塑膠線，在兩組勵磁線圈中間緊靠定子鐵芯位置纏繞1圈。在線圈經過定子鐵芯棱角處用足夠強度的絕緣墊防護，避免線圈受損。

圖7 定子鐵芯磁化試驗接線圖

5.2 試驗過程

（1）試驗有關人員全部就位，在試驗臺上放置溫濕度儀，監測環境溫度和濕度。

（2）檢查試驗接線正確性、勵磁電纜和測量電線的絕緣情況，絕緣阻值大于20 MΩ。

（3）試驗過程中，關閉有可能照射到定子鐵芯上的所有照明。

（4）所有準備工作完成并且確認無誤，業主、廠家、監理、施工單位四方簽字認可，方可進行試驗。安全起見，在正式試驗前，做第一次瞬時合閘試驗，無特別異常，做第二次合閘試驗，無異常，則通電10 min，同時調整測量表計，對比測量實際數據與計算值的偏差大小，如有疑問需分析原因，并進行糾正。

（5）各部位正常以后，記錄好各表計的初始值，合試驗用斷路器，同時開始計時。

（6）每隔10 min記錄一次各表計讀數，并用紅外測溫儀隨時監測各部位溫度，找出高溫區進行重點監測，并定時將記錄反饋到試驗臺，以便試驗人員做出判斷。

（7）試驗過程中溫度控制：

定子鐵芯最高溫度不超過70 ℃。

定子鐵芯各部位的最高溫升不超過25 K。

定子鐵芯最大溫差不超過10 K。

鐵芯和機座溫差不超過15 K。

單位損耗符合制造廠規定。

（8）整個試驗持續90 min。

（9）定子鐵芯磁化試驗合格后，再次拉伸定子鐵芯穿心螺桿。

5.3 試驗終止及重新開始

（1）試驗終止及重新開始必須由試驗總指揮下令，一般情況下，其他人無權下令終止或重新開始試驗。

（2）下列情況下，試驗終止：整個試驗持續90 min。或折算到1 t時，鐵芯的最高溫升超過25 K。或折算到1 t時，鐵芯部位之間最高溫差不超過10 K，鐵芯與機座間的最高溫差不超過15 K。或試驗過程中有無局部打火、發紅甚至冒煙或振動過大等現象發生。

（3）重新開始試驗：當試驗因異常情況終止后，應檢查處理異常點。

處理后經監理、制造廠各方檢查驗收合格后，方可重新開始試驗。

5.4 試驗結果整理

試驗中對定子鐵芯溫度記錄、參數測量記錄、試驗參數計算分析，有關公式如下：

式中：U2為測量電壓（V）；f為試驗電壓頻率（HZ)；Q鐵芯軛部截面積=L×ha（m2）；W2測量線圈匝數；B1為計算出的實際磁通密度（T)。

換算至10 000高斯時的單位鐵損如下：

式中，W為實際測量得到的總鐵損；G為鐵軛重量；B1為計算出的實際磁通密度。

6 小結

定子鐵芯磁化試驗是發電機定子鐵芯疊片質量檢驗的一項至關重要的試驗，試驗時需要保證磁通量在試驗允許范圍內，通過測溫判斷定子整體有沒有局部過熱點，從而推斷出有無片間短路等問題。本文分析850 MW級水輪發電機組的定子磁化試驗，以期以后同類型的機組試驗提供借鑒。