采用異頻電流激勵法開展發電機定子鐵芯損耗試驗的可行性研究

盛明珺,王曉蘭,劉守豹,徐 鉻,宋佳駿,胡思宇

(1.大唐水電科學技術研究院有限公司,南寧 530007;2.中國長江電力股份有限公司技術研究中心,湖北宜昌 443000)

0 前言

發電機定子鐵芯是用硅鋼片疊合組裝成的,由于制造和檢修可能存在的質量不良,或運行中由于熱和機械力的作用,引起片間絕緣損壞,造成短路,在短路區域形成局部過熱[1-8]。嚴重時會危及機組的安全運行,故在進行機組交接或預防性試驗時要進行定子鐵芯損耗試驗[9-15]。

在定子鐵芯損耗試驗時需要在發電機定子鐵芯上纏繞激勵線圈,向線圈中通入一定的工頻電流,使之在鐵芯內部產生交變磁通,通常取勵磁磁感應強度為1～1.4T,鐵芯在交變磁通中產生渦流和磁滯損耗而發熱,溫度很快升高[16-17]。同時,鐵芯中片間絕緣受損或劣化的部分會產生較大的局部渦流,溫度快速上升,從而產生明顯的過熱點。試驗中用紅外線測溫儀測出定子鐵芯、上下齒壓板及定子機座的溫度,計算出溫升和溫差;用紅外線熱成像儀掃描查找定子鐵芯局部過熱點及進行輔助測溫;在鐵芯上纏繞測量繞組,測出鐵芯中不同時刻的磁感應強度,并根據測得的勵磁電流、電壓計算出鐵芯的有功損耗[18-20]。將測量、計算結果與設計要求相比較,來判斷定子鐵芯的制造、安裝整體水平。

在試驗過程中,需要通過施加激勵電流,使其在定子鐵芯中產生磁場,繼而產生渦流使鐵芯發熱。激勵電壓一般選取380V 工頻電壓源,激勵電流根據繞線匝數的多少而有所不同,但是總體來看,發電機容量越大,需要的勵磁電流越大。例如:某5MW 發電機勵磁電流約50A,某50MW 發電機勵磁電流約330A,對于更大容量的發電機,試驗時的繞線工作是一項麻煩且艱巨的任務,給試驗人員帶來了很大困擾。

為了降低發電機定子鐵芯損耗試驗的工作難度,本文提出通過增加激勵電流頻率來提高鐵芯感應渦流的強度,從而采用異頻電流取代工頻大電流的替代方案。為了對該方法的可行性進行研究,本文分析了渦流制熱基本理論,采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell建立仿真分析模型,設計了異頻電流法開展發電機定子特性損耗試驗的方案,通過對幅值相同、頻率不同的勵磁電流下的鐵芯發熱情況進行分析,論證了采用異頻電流法開展發電機定子鐵芯損耗試驗的可行性。

1 相關原理

根據法拉第電磁感應定律,變化磁場中感應電動勢的計算公式為:

其中,e表示感應電動勢;N表示線圈匝數;Φ表示磁通量,如果磁通量隨時間按照正弦規律變化,即:

式中,Φm為最大磁通量;ω為角頻率。

將式(2)帶入式(1),得到:

感應電動勢的最大值為:

感應電動勢的有效值為:

式中,f為勵磁電流頻率。

式(5)的近似計算公式為:

Φm的表達式為:

其中,I表示勵磁電流;Rm表示磁路的磁阻。

因此,式(6)可改寫為:

在發電機定子鐵芯中,如果感應電流在微小回路的電阻為R,其發熱量P的計算式為:

由此可見,采用交變磁場對定子鐵芯進行加熱,在試驗對象及空間材料保持不變的前提下,鐵芯發熱量與勵磁線圈匝數、勵磁電流頻率、勵磁電流幅值的平方成正比。

從理論上講,在保持定子鐵芯發熱量不變的情況下,通過增加勵磁電流的頻率,可以減小電流幅值,從而減小勵磁線圈的截面積和重量,為試驗的開展提供便利。

要論證采用異頻電流法開展發電機定子鐵芯損耗試驗的有效性,需要解決兩個問題:一是磁通密度的問題,在減小電流后,如果仍然要在鐵芯中長時間保持1～1.4T 的磁通密度,就必須增加線圈匝數,這樣并不能減輕現場繞線的工作量;二是增加了勵磁電流頻率將引起鐵芯中渦流分布的變化,需要對不同頻率的勵磁電流對鐵芯渦流分布的影響進行量化。總之,需要論證的是勵磁電流的減小幅值和增大的頻率會不會對定子鐵芯的感應發熱方式造成大的影響,只有證明了在采用異頻小勵磁電流后硅鋼片的發熱方式不發生大的變化,本文給出的替代方案才具有可行性。

2 方案設計

為驗證異頻小電流可以取代工頻大電流進行發電機定子鐵芯損耗試驗,進行仿真實驗設計,具體方案如圖1所示。

圖1 仿真實驗方案設計圖

首先采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 建立時變電磁場仿真模型,并向激勵線圈中通入工頻大電流,得到仿真結果。然后在激勵線圈中通入工頻小電流和異頻小電流,并分別進行仿真實驗,檢驗其一致性。最后分析電流幅值、頻率對發熱量的影響。

3 實驗及分析

本章根據第2 章中提供的實驗設計方案進行仿真實驗,并對分析結果進行闡述。

3.1 有限元仿真模型的建立

采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 建立時變電磁場仿真模型,出于計算量的原因,無法建立等尺寸的發電機定子模型,因此仿真工作采用了縮比模型的方式進行,對應的模型如圖2所示。

圖2 仿真模型及其尺寸

硅鋼片對應的磁化特性曲線如圖3所示。

圖3 硅鋼片磁化特性曲線

將中間硅鋼片的橫截面作為觀察面(如圖4所示),在激勵線圈中通入50Hz、13.68A 的電流,觀察面平均磁通密度約1T,得到仿真結果,如圖5所示。將本仿真結果作為工頻大電流激勵下場量分布的標準,異頻電流激勵下的仿真結果將與之進行比較,以驗證改變激勵方式對于開展鐵芯損耗試驗的可行性。

圖4 計算結果的觀察面

圖5 工頻大電流激勵下的仿真結果

3.2 激勵電流幅值改變后鐵損試驗的有效性論證

保持電流頻率不變,將激勵線圈中的電流減小至1.368A,得到觀察面上的場量結果如圖6所示。

圖6 工頻小電流激勵下的仿真結果

比較圖5 和圖6 可知,相關仿真量在分布上具有較好的相似性,為了對相似性進行量化分析,在觀察面上設置觀察線(如圖7所示),在觀察線上設置100個觀察點,對每一個觀察點上的仿真結果進行比較分析,對應各場量的分析比較結果如圖8所示。

圖7 計算結果觀察線及觀察點

圖8 激勵電流幅值減小后觀測線上場量分布與大電流下的場量分布比較

從圖8 可知,保持頻率不變,將勵磁線圈中的電流幅值減小,仿真得到的場量結果與大電流情況下的分布具有較好的一致性,這說明降低激勵電流,發電機定子鐵芯中的發熱量分布將不會發生明顯變化。

3.3 激勵電流幅值頻率均改變后試驗的有效性驗證

將激勵電流設置為1000Hz、1.368A,得到觀察面上的場量結果如圖9所示。

比較圖5 和圖9 可知,除磁通密度分布存在一定差異外,其他場量在分布上仍然具有較好的相似性,觀察線上各場量分析比較結果如圖10所示。

圖10 激勵電流幅值減小且頻率增大后觀測線上場量分布與工頻大電流情況下的比較

從圖10 可知,在1000Hz 的小電流激勵下,硅鋼片中場量分布與工頻大電流情況下仍然具有較好的相似性,說明了采用異頻小電流取代工頻大電流開展發電機定子鐵芯損耗試驗具有可行性。

3.4 電流幅值、頻率對發熱量的影響分析

(1)電流幅值對發熱量的影響。

表1 電流幅值對最大發熱量的影響

從表1 可知,在激勵電流幅值較低時,鐵芯磁化特性處于線性段,電流增加將導致發熱量平方倍增加;當電流繼續增大,導致鐵芯磁化特性朝著飽和段變化,鐵芯發熱量將急劇增加。

(2)頻率對發熱量的影響。

4 結論

(1)采用異頻電流法開展發電機定子鐵芯損耗試驗能夠保證鐵芯發熱分布與工頻大電流激勵時基本一致,從理論上證明了異頻小電流對工頻大電流的可替代性;

(2)采用小電流對定子鐵芯進行感應制熱,由于小電流情況下鐵芯磁化特性未飽和,其引起的鐵芯發熱不如大電流情況下顯著;在增加勵磁電流頻率后,由于高頻情況下感應產生的渦流對激勵磁場的削弱,導致發熱量的增加與頻率增加倍數的平方無法維持正比關系,但是隨著頻率增加,發熱量增加的整體趨勢不變。

本文的結論應通過現場實測進行檢驗,以便發現實際應用過程中的問題并對試驗裝置、方案進行改進。