發(fā)電機(jī)定子鐵耗試驗(yàn)方案改進(jìn)與實(shí)踐

李書(shū)平,陳子明,易非凡,陳富杰,張 蕓,劉 歡,陳啟豪,錢厚軍,汪運(yùn)律

(1.浙江萬(wàn)納核電檢修有限公司，浙江 海鹽 314300;2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠發(fā)電機(jī)定子鐵芯是由0.35 mm厚涂有一層薄絕緣漆膜的硅鋼片疊片疊裝，并通過(guò)定位筋將疊片的一端短接固定而成的。疊片間絕緣漆受損后，鐵芯在發(fā)電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生故障電流,引起鐵芯絕緣漆受損處溫度異常升高，對(duì)鐵芯造成破壞，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致與鐵芯相鄰的繞組絕緣損壞。因此在發(fā)電機(jī)交接試驗(yàn)、局部或全部更換定子繞組前后，以及在懷疑定子鐵芯有損傷等缺陷時(shí)都需要進(jìn)行定子鐵耗試驗(yàn)。[1]在進(jìn)行鐵耗試驗(yàn)前，需先確定試驗(yàn)方案。本文通過(guò)對(duì)秦一廠的三種定子鐵耗試驗(yàn)方案應(yīng)用案例進(jìn)行研究，為其他電廠的鐵耗試驗(yàn)方案的改進(jìn)提供借鑒。

1 背景

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的定子鐵耗試驗(yàn)方法可分為三種：一是使用試驗(yàn)變壓器將中壓(數(shù)千伏)變?yōu)榈蛪?數(shù)百伏)后作為試驗(yàn)電源的傳統(tǒng)低壓高強(qiáng)磁通定子鐵芯損耗試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)鐵耗”)；二是將傳統(tǒng)高強(qiáng)磁通鐵芯損耗試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，用中壓電源(數(shù)千伏)直接作為試驗(yàn)電源的中壓高強(qiáng)磁通定子鐵芯損耗試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱“中壓鐵耗”)；三是國(guó)內(nèi)新近采用的電機(jī)鐵芯故障診斷 (簡(jiǎn)稱“ELCID試驗(yàn)”)。三種定子鐵耗試驗(yàn)方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，電廠在試驗(yàn)時(shí)往往難以選擇。

秦一廠發(fā)電機(jī)是上海發(fā)電機(jī)廠1988年生產(chǎn)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，經(jīng)歷過(guò)兩次擴(kuò)容改造，發(fā)電機(jī)及鐵芯參數(shù)如下：型號(hào)：QFS-350-2、定子額定線電壓Ui：18 000 V、額定工況下定子軛部磁密：1.584 5 T、定子鐵芯厚度：0.35 mm、定子鐵芯代號(hào)：Z10、定子鐵芯外徑D1：240 cm、鐵芯軛部高度hys：41.6 cm、定子鐵芯軛部重量m：87 690.37 kg、鐵芯軛部有效截面Q：1.809 6 m2。三種鐵耗試驗(yàn)方案均有實(shí)踐，下面通過(guò)對(duì)三種鐵耗試驗(yàn)方案在秦一廠的實(shí)踐過(guò)程及結(jié)果分析，以期能為其他電廠的鐵耗試驗(yàn)改進(jìn)研究提供幫助。

2 傳統(tǒng)鐵耗試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

2007年秦一廠發(fā)電機(jī)擴(kuò)容改造進(jìn)行鐵耗試驗(yàn)時(shí)，廠內(nèi)正值6臺(tái)油浸式變壓器(簡(jiǎn)稱“油變”)更換干式變壓器(簡(jiǎn)稱“干變”)改造，現(xiàn)場(chǎng)有多臺(tái)更換下來(lái)的油變可作為試驗(yàn)變壓器，故選用了傳統(tǒng)低壓鐵耗試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案：發(fā)電機(jī)抽出轉(zhuǎn)子后，在定子鐵芯上纏繞勵(lì)磁繞組及測(cè)量繞組，通過(guò)試驗(yàn)變壓器將交流電流通入勵(lì)磁繞組勵(lì)磁,使定子膛中產(chǎn)生額定磁通80%～100%的磁通量;定子鐵芯在交變磁通中產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，使鐵芯振動(dòng)和發(fā)熱。通過(guò)測(cè)量測(cè)量繞組的感應(yīng)電壓及勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，測(cè)量試驗(yàn)鐵芯損耗，并使用測(cè)溫儀器測(cè)量高溫點(diǎn)溫升，計(jì)算出單位重量鐵芯有功損耗等數(shù)據(jù)。將計(jì)算的鐵芯損耗及溫升與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷鐵芯是否有絕緣缺陷，實(shí)現(xiàn)定子鐵芯檢查。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算和實(shí)施

試驗(yàn)選用了3臺(tái)額定容量為Sn=1000 kVA，額定電壓比U1/U2=6.3 kV/0.4 kV的油變，并將變壓器高壓繞組同相并聯(lián)、低壓繞組選一組同相位線電壓順向串聯(lián)作為傳統(tǒng)鐵耗的勵(lì)磁電源，見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)鐵耗試驗(yàn)原理圖

勵(lì)磁電壓U1與勵(lì)磁線圈匝數(shù)W1關(guān)系：

(1)

式中：f——?jiǎng)?lì)磁電源頻率，50 Hz；

B——磁通密度，取1.35 T。

估算勵(lì)磁電流：

(2)

式中：H——鐵芯單位長(zhǎng)度安匝數(shù)(取2.26安匝/cm)。

測(cè)量線圈匝數(shù)W2和測(cè)量電壓U2的關(guān)系：

(3)

鐵耗試驗(yàn)時(shí)間：

(4)

使用三臺(tái)油變低壓繞組一組同相位線電壓順向串聯(lián)后作為勵(lì)磁電源時(shí)，勵(lì)磁電壓U1約為1.2 kV，根據(jù)公式(1)～(4)計(jì)算得出：勵(lì)磁線圈的匝數(shù)W1：2匝；勵(lì)磁電流I：739.5 A；測(cè)量線圈的匝數(shù)W2：1匝；測(cè)量線圈電壓U2：0.6 kV；鐵耗試驗(yàn)時(shí)間t：50 min。按照3 A/mm2的電流密度計(jì)算，采用1×400 mm2的3 kV無(wú)屏蔽軟電纜作為勵(lì)磁線圈，以1×2.5 mm2的1 kV無(wú)屏蔽電纜作為測(cè)量線圈。為避免合閘時(shí)的暫態(tài)勵(lì)磁電流誤觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，速斷整定值設(shè)定為600 A,延時(shí)0 s，過(guò)流整定值設(shè)定160 A，延時(shí)0.8 s。將油變輕瓦斯信號(hào)接6.3 kV開(kāi)關(guān)的報(bào)警，重瓦斯信號(hào)接開(kāi)關(guān)跳閘。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

秦一廠發(fā)電機(jī)硅鋼片代號(hào)為Z10，厚度為0.35 mm，按廠家規(guī)定：磁通密度折算到1 T時(shí)的單位損耗應(yīng)不大于0.8476 W/kg。鐵芯最高齒溫差折算到1 T時(shí)不超過(guò)15 K，鐵芯最高溫升折算到1 T時(shí)不超過(guò)25 K。此次傳統(tǒng)鐵耗試驗(yàn)總耗時(shí)5 d，鐵芯勵(lì)磁試驗(yàn)50 min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)校算，試驗(yàn)時(shí)磁通密度約為1.382 T，磁通量約為額定磁通量的87%。鐵芯單位損耗和溫升滿足廠家要求。

表1 傳統(tǒng)鐵耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 中壓鐵耗試驗(yàn)法

3.1 試驗(yàn)方案

2018年秦一廠第二次擴(kuò)容改造進(jìn)行發(fā)電機(jī)鐵耗試驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)缺少合適的試驗(yàn)變壓器作為試驗(yàn)電源，在聽(tīng)取同行建議后，采用直接將中壓廠用電作為勵(lì)磁電源的中壓鐵耗試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。詳見(jiàn)圖2。

圖2 中壓鐵耗試驗(yàn)原理圖

3.2 試驗(yàn)的參數(shù)計(jì)算與實(shí)施

秦一廠中壓廠用電源為6.3 kV，通過(guò)公式(1)～(4)得出：勵(lì)磁線圈的匝數(shù)W1：12匝；勵(lì)磁電流I：115 A；測(cè)量線圈的匝數(shù)W2：1匝；估算測(cè)量線圈電壓U2：525 V；鐵耗試驗(yàn)時(shí)間t：60 min。勵(lì)磁線圈采用1×120 mm2的10 kV無(wú)屏蔽電纜，測(cè)量線圈采用1×2.5 mm2的1 kV無(wú)屏蔽電纜。為避免試驗(yàn)合閘時(shí)暫態(tài)勵(lì)磁電流和勵(lì)磁涌流誤觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，將6.3 kV試驗(yàn)電源開(kāi)關(guān)的速斷保護(hù)定值設(shè)定為1800 A，延時(shí)0 s；過(guò)流保護(hù)定值設(shè)定為400 A，延時(shí)0.3 s。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

此次中壓鐵耗試驗(yàn)總耗時(shí)2 d，鐵芯勵(lì)磁試驗(yàn)60 min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，經(jīng)校算，試驗(yàn)時(shí)磁通密度為1.289T，磁通量約為額定磁通量的81%。鐵芯單位損耗和溫升滿足廠家要求。

表2 中壓鐵耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 ELCID試驗(yàn)法

4.1 試驗(yàn)方法

2019年，秦一廠在發(fā)電機(jī)擴(kuò)容改造運(yùn)行一個(gè)循環(huán)后進(jìn)行解體大修時(shí)，為了檢查發(fā)電機(jī)鐵芯的狀況，需再次進(jìn)行一次鐵耗試驗(yàn)。由于此次發(fā)電機(jī)大修工期較短，考慮到傳統(tǒng)鐵耗試驗(yàn)和中壓鐵耗試驗(yàn)的特點(diǎn)，電廠決定應(yīng)用ELCID試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行鐵耗試驗(yàn)。

ELCID定子鐵芯損耗試驗(yàn)原理：為定子鐵芯附加纏繞的勵(lì)磁繞組通入很小的勵(lì)磁電流，使定子鐵芯內(nèi)產(chǎn)生額定磁通4%的磁通量。當(dāng)定子鐵芯疊片間絕緣受損發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)與周向磁通形成一個(gè)閉合回路，感應(yīng)出與勵(lì)磁電流180°相位差的故障電流。試驗(yàn)人員在定子膛內(nèi)推動(dòng)chattock線圈(膛內(nèi)沒(méi)有擋風(fēng)圈的機(jī)組可在不抽轉(zhuǎn)子的工況下通過(guò)搭載在爬行小車上爬行)，使chattock線圈(承擔(dān)建立試驗(yàn)磁場(chǎng)和測(cè)量勵(lì)磁電流功能)在定子膛內(nèi)沿鐵芯線槽滑動(dòng)。同時(shí)，為了覆蓋鐵芯所有的內(nèi)表面，每次一個(gè)中間的槽及相鄰兩個(gè)鐵齒進(jìn)行檢查(如圖3所示)。chattock線圈固定于每?jī)蓚€(gè)相鄰槽的邊緣，主機(jī)接chattock線圈信號(hào)后，利用信號(hào)處理處理器與采自勵(lì)磁電流的參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，以故障電流(通過(guò)信號(hào)處理器從勵(lì)磁電流中分解獲得)的大小及相位來(lái)判斷鐵芯是否有故障。

圖3 chattock線圈原理圖

圖4 ELCID試驗(yàn)原理圖

4.2 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

由于ELCID試驗(yàn)只需給鐵芯施加4%額定磁通，因此ELCID鐵芯試驗(yàn)需要的勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓只有發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的4%。[2]

ELCID試驗(yàn)時(shí)的勵(lì)磁電壓

(5)

式中：K——節(jié)距因數(shù)(取0.92)；

tp——每相匝數(shù)。(注：試驗(yàn)時(shí)按照試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)建議，將勵(lì)磁電壓U1設(shè)定為26.5 V)

利用公式(2)，估算出勵(lì)磁線圈W1為1匝時(shí)，勵(lì)磁電流I約為60 A。

ELCID試驗(yàn)電源容量

S=KSUrI=1.77 kVA

(6)

式中：KS——電源容量系數(shù)，一般取1.1。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)ELCID儀器對(duì)發(fā)電機(jī)定子全部線槽及端部階梯部位進(jìn)行了測(cè)量,故障電流均小于100 mA。此次ELCID試驗(yàn)總耗時(shí)0.5 d，鐵芯勵(lì)磁時(shí)間180 min。經(jīng)校算，ELCID試驗(yàn)的勵(lì)磁電壓U1為26.5 V，實(shí)際磁通密度B約為0.064 T，實(shí)際磁通是額定磁通的4%。

5 結(jié)論

通過(guò)3種鐵耗試驗(yàn)案例對(duì)比分析得到表3：三種鐵耗試驗(yàn)方案特點(diǎn)對(duì)照表。

表3 三種鐵耗試驗(yàn)方案特點(diǎn)對(duì)照表

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：ELCID定子鐵耗試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器小巧便攜，人力投入少，試驗(yàn)時(shí)的磁通量?jī)H有額定磁通的4%，對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵芯無(wú)損，還能作為故障探測(cè)手段對(duì)故障精確定位；目前，該技術(shù)已發(fā)展到將激磁和測(cè)量裝置小型化處理并搭載在自動(dòng)爬行小車上，在定子膛內(nèi)無(wú)擋風(fēng)圈的機(jī)組可實(shí)現(xiàn)不抽轉(zhuǎn)子檢查鐵芯狀態(tài)，比傳統(tǒng)鐵耗試驗(yàn)方案和中壓鐵耗試驗(yàn)方案更符合如今發(fā)電機(jī)定子鐵芯檢查。