采用異頻電流激勵(lì)法開展發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)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(xué)技術(shù)研究院有限公司,南寧 530007;2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司技術(shù)研究中心,湖北宜昌 443000)

0 前言

發(fā)電機(jī)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(zhì)量不良,或運(yùn)行中由于熱和機(jī)械力的作用,引起片間絕緣損壞,造成短路,在短路區(qū)域形成局部過熱[1-8]。嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及機(jī)組的安全運(yùn)行,故在進(jìn)行機(jī)組交接或預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)要進(jìn)行定子鐵芯損耗試驗(yàn)[9-15]。

在定子鐵芯損耗試驗(yàn)時(shí)需要在發(fā)電機(jī)定子鐵芯上纏繞激勵(lì)線圈,向線圈中通入一定的工頻電流,使之在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生交變磁通,通常取勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度為1～1.4T,鐵芯在交變磁通中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗而發(fā)熱,溫度很快升高[16-17]。同時(shí),鐵芯中片間絕緣受損或劣化的部分會(huì)產(chǎn)生較大的局部渦流,溫度快速上升,從而產(chǎn)生明顯的過熱點(diǎn)。試驗(yàn)中用紅外線測(cè)溫儀測(cè)出定子鐵芯、上下齒壓板及定子機(jī)座的溫度,計(jì)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(diǎn)及進(jìn)行輔助測(cè)溫;在鐵芯上纏繞測(cè)量繞組,測(cè)出鐵芯中不同時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度,并根據(jù)測(cè)得的勵(lì)磁電流、電壓計(jì)算出鐵芯的有功損耗[18-20]。將測(cè)量、計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相比較,來判斷定子鐵芯的制造、安裝整體水平。

在試驗(yàn)過程中,需要通過施加激勵(lì)電流,使其在定子鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),繼而產(chǎn)生渦流使鐵芯發(fā)熱。激勵(lì)電壓一般選取380V 工頻電壓源,激勵(lì)電流根據(jù)繞線匝數(shù)的多少而有所不同,但是總體來看,發(fā)電機(jī)容量越大,需要的勵(lì)磁電流越大。例如:某5MW 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流約50A,某50MW 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流約330A,對(duì)于更大容量的發(fā)電機(jī),試驗(yàn)時(shí)的繞線工作是一項(xiàng)麻煩且艱巨的任務(wù),給試驗(yàn)人員帶來了很大困擾。

為了降低發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)的工作難度,本文提出通過增加激勵(lì)電流頻率來提高鐵芯感應(yīng)渦流的強(qiáng)度,從而采用異頻電流取代工頻大電流的替代方案。為了對(duì)該方法的可行性進(jìn)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(shè)計(jì)了異頻電流法開展發(fā)電機(jī)定子特性損耗試驗(yàn)的方案,通過對(duì)幅值相同、頻率不同的勵(lì)磁電流下的鐵芯發(fā)熱情況進(jìn)行分析,論證了采用異頻電流法開展發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)的可行性。

1 相關(guān)原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,變化磁場(chǎng)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式為:

其中,e表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);N表示線圈匝數(shù);Φ表示磁通量,如果磁通量隨時(shí)間按照正弦規(guī)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為:

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為:

式中,f為勵(lì)磁電流頻率。

式(5)的近似計(jì)算公式為:

Φm的表達(dá)式為:

其中,I表示勵(lì)磁電流;Rm表示磁路的磁阻。

因此,式(6)可改寫為:

在發(fā)電機(jī)定子鐵芯中,如果感應(yīng)電流在微小回路的電阻為R,其發(fā)熱量P的計(jì)算式為:

由此可見,采用交變磁場(chǎng)對(duì)定子鐵芯進(jìn)行加熱,在試驗(yàn)對(duì)象及空間材料保持不變的前提下,鐵芯發(fā)熱量與勵(lì)磁線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流頻率、勵(lì)磁電流幅值的平方成正比。

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

要論證采用異頻電流法開展發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)的有效性,需要解決兩個(gè)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(zhǎng)時(shí)間保持1～1.4T 的磁通密度,就必須增加線圈匝數(shù),這樣并不能減輕現(xiàn)場(chǎng)繞線的工作量;二是增加了勵(lì)磁電流頻率將引起鐵芯中渦流分布的變化,需要對(duì)不同頻率的勵(lì)磁電流對(duì)鐵芯渦流分布的影響進(jìn)行量化?？傊?需要論證的是勵(lì)磁電流的減小幅值和增大的頻率會(huì)不會(huì)對(duì)定子鐵芯的感應(yīng)發(fā)熱方式造成大的影響,只有證明了在采用異頻小勵(lì)磁電流后硅鋼片的發(fā)熱方式不發(fā)生大的變化,本文給出的替代方案才具有可行性。

2 方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證異頻小電流可以取代工頻大電流進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn),進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),具體方案如圖1所示。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖

首先采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 建立時(shí)變電磁場(chǎng)仿真模型,并向激勵(lì)線圈中通入工頻大電流,得到仿真結(jié)果。然后在激勵(lì)線圈中通入工頻小電流和異頻小電流,并分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)其一致性。最后分析電流幅值、頻率對(duì)發(fā)熱量的影響。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

本章根據(jù)第2 章中提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)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(shí)變電磁場(chǎng)仿真模型,出于計(jì)算量的原因,無法建立等尺寸的發(fā)電機(jī)定子模型,因此仿真工作采用了縮比模型的方式進(jìn)行,對(duì)應(yīng)的模型如圖2所示。

圖2 仿真模型及其尺寸

硅鋼片對(duì)應(yīng)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(lì)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(jié)果,如圖5所示。將本仿真結(jié)果作為工頻大電流激勵(lì)下場(chǎng)量分布的標(biāo)準(zhǔn),異頻電流激勵(lì)下的仿真結(jié)果將與之進(jìn)行比較,以驗(yàn)證改變激勵(lì)方式對(duì)于開展鐵芯損耗試驗(yàn)的可行性。

圖4 計(jì)算結(jié)果的觀察面

圖5 工頻大電流激勵(lì)下的仿真結(jié)果

3.2 激勵(lì)電流幅值改變后鐵損試驗(yàn)的有效性論證

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

圖6 工頻小電流激勵(lì)下的仿真結(jié)果

比較圖5 和圖6 可知,相關(guān)仿真量在分布上具有較好的相似性,為了對(duì)相似性進(jìn)行量化分析,在觀察面上設(shè)置觀察線(如圖7所示),在觀察線上設(shè)置100個(gè)觀察點(diǎn),對(duì)每一個(gè)觀察點(diǎn)上的仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析,對(duì)應(yīng)各場(chǎng)量的分析比較結(jié)果如圖8所示。

圖7 計(jì)算結(jié)果觀察線及觀察點(diǎn)

圖8 激勵(lì)電流幅值減小后觀測(cè)線上場(chǎng)量分布與大電流下的場(chǎng)量分布比較

從圖8 可知,保持頻率不變,將勵(lì)磁線圈中的電流幅值減小,仿真得到的場(chǎng)量結(jié)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(lì)電流,發(fā)電機(jī)定子鐵芯中的發(fā)熱量分布將不會(huì)發(fā)生明顯變化。

3.3 激勵(lì)電流幅值頻率均改變后試驗(yàn)的有效性驗(yàn)證

將激勵(lì)電流設(shè)置為1000Hz、1.368A,得到觀察面上的場(chǎng)量結(jié)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(chǎng)量在分布上仍然具有較好的相似性,觀察線上各場(chǎng)量分析比較結(jié)果如圖10所示。

圖10 激勵(lì)電流幅值減小且頻率增大后觀測(cè)線上場(chǎng)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(lì)下,硅鋼片中場(chǎng)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(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)具有可行性。

3.4 電流幅值、頻率對(duì)發(fā)熱量的影響分析

(1)電流幅值對(duì)發(fā)熱量的影響。

表1 電流幅值對(duì)最大發(fā)熱量的影響

從表1 可知,在激勵(lì)電流幅值較低時(shí),鐵芯磁化特性處于線性段,電流增加將導(dǎo)致發(fā)熱量平方倍增加;當(dāng)電流繼續(xù)增大,導(dǎo)致鐵芯磁化特性朝著飽和段變化,鐵芯發(fā)熱量將急劇增加。

(2)頻率對(duì)發(fā)熱量的影響。

4 結(jié)論

(1)采用異頻電流法開展發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗試驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC鐵芯發(fā)熱分布與工頻大電流激勵(lì)時(shí)基本一致,從理論上證明了異頻小電流對(duì)工頻大電流的可替代性;

(2)采用小電流對(duì)定子鐵芯進(jìn)行感應(yīng)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(fā)熱不如大電流情況下顯著;在增加勵(lì)磁電流頻率后,由于高頻情況下感應(yīng)產(chǎn)生的渦流對(duì)激勵(lì)磁場(chǎng)的削弱,導(dǎo)致發(fā)熱量的增加與頻率增加倍數(shù)的平方無法維持正比關(guān)系,但是隨著頻率增加,發(fā)熱量增加的整體趨勢(shì)不變。

本文的結(jié)論應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn),以便發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用過程中的問題并對(duì)試驗(yàn)裝置、方案進(jìn)行改進(jìn)。