變頻電源在大型機組定子磁化試驗中的應用

張應超，閆 晨

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

隨著機組容量的不斷擴大，國內大中型水電站定子均采用現場組裝方式，發電機定子鐵心作為發電機的一個重要大型部件，它由硅鋼片疊片組裝而成。在發電機定子鐵心結束組裝后，需要對發電機定子鐵心進行相關的磁化試驗，檢查發電機定子鐵心的溫度是否存在異常，單位鐵心損耗是否在規定的范圍內，從而綜合判斷定子鐵心是否存在缺陷，比如：在進行交接時、局部或者全部局部修理結束時、或者在運行過程中發電機定子鐵心狀態出現不確定因素時。

發電機定子鐵心損耗試驗是檢驗發電機定子鐵心裝配質量的重要工序，也是檢查鐵心絕緣情況的有效方法。若鐵心內有短路存在現象，在交變磁通通過時，會使渦流損失增大，局部過熱，加速鐵心絕緣和定子線圈絕緣老化，嚴重時可造成鐵心繞組燒傷和線棒擊穿。

當前發電機定子鐵心磁化試驗，試驗電源一般采用50 Hz工頻電源，試驗電源電壓的選擇根據機組容量大小、定子基本技術參數及現場現有電源等因素來確定。對于大型發電機組而言，定子鐵心固有頻率與試驗電源頻率相近時，試驗時會產生異常震動或共振，給定子造成不同程度的損傷。定子鐵心固有頻率是無法改變的，只有通過改變電源頻率或降低磁通密度的方式來進行常規磁化試驗。

天津TOK項目單機容量355 MW，額定電壓15.75 kV，采用10 kV電源后端銜接變頻電源的方式進行定子鐵心的磁化試驗。試驗人員根據外方業主提出的要求，制定了切實可行的試驗方案，通過試驗前多方面的細致周密準備，保證了試驗工作的順利進行。

2 磁化試驗的原理

發電機定子鐵心疊裝完成后，遵循GB/T 20835《發電機定子鐵心磁化試驗導則》的要求進行常規磁化試驗[1]。通過纏繞勵磁線圈，線圈中通入交流電流，使之在鐵心內部產生接近飽和狀態的交變磁通使鐵心磁化，從而在鐵心中產生渦流和磁滯損耗，使鐵心發熱。如果鐵心中片間存在絕緣受損或者劣化部分將產生較大的渦流，溫度升高更快。

通過預先埋設的熱電偶或熱成像儀測量鐵心、上下壓板及定子機座的溫度，計算出溫升和溫差。同時用紅外線測溫儀查找局部過熱點及輔助測溫；在鐵心上纏繞測量繞組，測量其感應電壓，計算出鐵心總的有功損耗，最后根據測試結果與設計要求比較，判斷定子鐵心的制造、安裝質量。

3 磁化試驗參數計算

以天津TOK項目定子鐵心磁化試驗為例，試驗參數計算如下（試驗電源按照工頻方式來計算）：

（1）鐵心有效高度計算

（2）鐵心軛部寬度計算

（3）鐵心截面積計算

（4）勵磁線圈匝數計算

根據計算結果，按照1.3 T時激磁線圈取50匝，按照1.2 T時激磁線圈取55匝。（依據現場實際情況調整）

（5）勵磁繞組電流（激磁繞組取50匝時）

激磁繞組取55匝時

（6）電源容量

激磁繞組取50匝時所需電源容量：

激磁繞組取55匝時所需電源容量：

（7）測量線圈取W2=2匝，測量電壓

激磁繞組取50匝時

激磁繞組取55匝時

勵磁線圈導線的選擇：按4 A/mm2載流量計算，所需勵磁電纜芯線截面積為268.96÷4=67.24 mm2，選1根95 mm2的橡套絕緣銅芯軟電纜纏繞（實際載流量為2.81 A/mm2），長度約為760 m。

4 試驗前準備工作

（1）定子檢查

檢查所有鐵心螺栓均在規定的緊固力矩下；檢查定子內、通風槽溝內、上下端部等處不應有鐵磁性物質遺留；用空壓機氣體清掃吹除定子內外、溝槽等處的灰塵和雜質；檢查確認定子機架與基礎支墩可靠固定；檢查定子鐵心是否可靠接地。

（2）定子測試電源整套裝置檢查

高壓開關柜、降壓變壓器、變頻器柜及升壓變壓器等設備已安裝調試完成，并已安全接地。

（3）纏繞勵磁線圈

定子鐵心壓緊并經過外觀檢查和幾何尺寸測量合格后，即具備鐵損試驗條件。可以纏繞激磁繞組。為降低由于磁密不均勻所導致試驗和測量誤差，將定子分為50個區域，在每個區域內用95 mm2橡套絕緣銅芯軟電纜緊密纏繞。纏繞激磁線圈時盡量使所有纜線緊繞在鐵心上，避免纜線進入線槽內，經過棱角之處需加橡膠板進行保護。

（4）纏繞測量線圈

測量繞組用1根6 mm2橡套絕緣銅芯軟電纜用同樣方法在定子鐵心上兩激磁繞組區域中間位置纏繞2圈。線圈緊放槽底，并包繞定子有效鐵心，不包繞定子機座，棱角處墊橡膠板保護。

圖1 勵磁繞組分部纏繞

（5）儀器、儀表連接

按照圖紙示意進行儀表、電源連接，并檢查接線正確性。特別注意測量儀表與線圈極性應正確。全部連線完畢后，用500 V兆歐表測量激磁繞組、測量繞組等回路絕緣電阻。

（6）溫度計布置

使用紅外線測溫槍及紅外線熱成像儀進行溫度監測。

圖2 熱成像儀溫度監測

5 試驗步驟

（1）先對定子鐵心實施磁通1.3 T時的接線方式；

（2）檢查各部位接線及繞線與設備連接，必須依照方案嚴格執行；

（3）對激磁繞組及高壓部分進行絕緣檢測，對整個激磁繞組電纜進行直流泄露檢測；

（4）操作人員、記錄人員、監視人員固定專人專位，按照數據記錄表格作好初始數據記錄；

（5）再次確認電纜連接和設備連接正確后，合上高壓開關柜斷路器，變頻器帶電，準備就緒。啟動變頻器先輸出一個低電壓（觀測各表計數值的同時注意各部位狀況，如有問題立刻斷開電源）記錄完數據后停變頻器，對記錄數據進行分析是否符合要求，如數據滿足要求可繼續進行測試，試驗頻率從45 Hz到70 Hz，查找發電機定子的固有頻率，正式進行試驗所采用的試驗電源要躲過發電機定子的固有頻率，本臺定子的固有頻率為50 Hz左右，所以本臺發電機定子磁化試驗頻率采用45 Hz；

（6）正式進入測試時，合上高壓開關斷路器，觀察定子鐵心振動狀況，全面檢查定子鐵心各部狀況，當出現冒煙、火花、嚴重異常響聲時，應立即停電檢查；

（7）試驗過程中以每5 min為限記錄標記部位溫度。用紅外成像儀檢測各部位發熱情況，如果有過熱處，應當特別觀察并做好記錄，如出現溫度大于規范要求溫度，應迅速斷開電源；

（8）試驗進行60 min，每隔5 min記錄一次溫度數值和各測量表計數值；

（9） 60 min的試驗正常后，斷開電源，檢查定子機座焊縫、定位筋與機座各焊縫應無裂紋，螺桿應無松動，拆除試驗連線及激磁繞組、測量繞組等纜線，清除定子鐵心機座等灰塵雜質。

6 試驗數據處理

（1）單位鐵損的計算

1）試驗時的實際磁通密度

2）折算到1T時的單位鐵損

（2）最高齒溫差的換算

δt=（△tmax-△tmix）×（1/B）2（℃）

（3）最高鐵心溫升的換算

△tmax=（t1-t0）×（1/B）2（℃）

（4）判斷標準

在鐵心試驗發生下列情況之一者，即認為鐵心不合格。

1）在60 min的試驗中，鐵心齒的最高溫（△tmax）不超過25 ℃。

2）在60 min的試驗中，各棱齒間的最大溫差（δt）不超過15 ℃。

3）經過計算得到的單位鐵損（P1）應不大于廠家技術要求。

7 變頻定子測試電源

由于定子鐵心固有頻率是無法改變的，只有通過改變電源頻率或降低磁通密度的方式來進行常規磁化試驗。

KFS系列定子測試電源，以微處理器為核心，采用PWM方式產生正弦波、脈寬調制技術，實現可模擬輸出不同電壓等級、頻率，可滿足各行業所帶負載的需求。電源通過隔離變壓器輸出，穩定性強，具有負載適應性強、輸出波形品質好、操作簡單、體積小、重量輕等特點，具有完善的短路、過流、過壓、過熱等保護功能，以保證電源可靠運行。

定子測試源可以為進口電氣設備進行變壓、變頻測試及供電而設計制造的，能提供世界各國標準電網電壓及頻率，輸出電壓（0~1 000 V）、頻率（40~70 Hz）無級數字可調電壓，波形穩定純凈，消除電網干擾，適用于電器產品變壓、變頻測試；實驗室、計量室等各種精密測試。

8 定子測試源原理

（1）定子測試源主回路

定子測試源的主回路采用典型的交-直-交電壓源性拓步結構。由隔離轉向開關、整流電路、逆變電路、預充電電路、正弦濾波器等構成。

交-直-交變頻電路的工作原理：將三相不可調交流電經全波整流電路整流成直流電，然后又經逆變電路“逆變”成頻率和電壓均可調的三相交流電，交流電經過正弦波濾波器，輸出標準的正弦交流電壓。在定子測試源的輸入和輸出之間，經歷了“交流-直流-交流”的過程。

（2）定子測試源控制回路

控制回路發出各種指令以使定子測試源有不同的響應和動作。控制回路包括主控板、母板、驅動板、采樣板等。

主控板和母板控制著整個定子測試源的運作，通過中央處理器發出各種工作信號、警示信號、運行指令、保護指令，以使定子測試源實現各種功能。采樣板采集電壓信號，便于液晶屏顯示。驅動板收到CPU的驅動信號后，開始驅動，以使IGBT實現逆變效果。顯示分為待機參數顯示、運行數據顯示、故障、保護顯示。在待機狀態下查找參數，在運行狀態下，顯示各種運行數據，如頻率、電流、電壓，當變頻器故障時顯示保護參數。

（3）定子測試源工作特點

1）有兩種啟動方式可選擇：變頻軟啟動和直流啟動。

2）電源過電壓保護。變頻器對直流母線電壓進行實時監測，一旦電源電壓超過額定電壓的10%，定子測試源立即進行保護。

3）欠壓保護。當電源電壓太低、電源瞬時停電、電網容量太小或網內有較大的沖擊電流時，定子測試源立即進行保護。

4）過載保護。當負載過大，使逆變器輸出電流超過保護值，且持續流通時間達規定的時間上限時，為了防止逆變器元件、電線等損壞，定子測試源會停止運轉。

5）過熱保護。因為環境溫度過高，冷卻風扇不運轉或載波頻率過大，都會使定子測試源在運行過程中能量損耗和散熱通風不暢。而定子測試源內裝的風扇是箱體內部散熱的主要手段，它將保證控制回路電路正常工作。

6）定子測試源的調頻范圍廣，頻率連續可調，啟動時間連續可調。

9 結語

通過本項目的研究，總結出完整的、有效的、適合大型機組定子磁化試驗采用變頻電源方式進行試驗的經驗。對于試驗過程中出現的問題，周密的分析，提出科學的解決方法。本次實踐為國內少見的在大型機組定子磁化試驗采用變頻電源進行調節頻率和電壓，為大型發電工程類似項目提供參考資料。為大型水輪發電機組磁化過程中共振問題的解決提供思路。