大型水轮发电机定子铁损试验研究

中国水利水电第三工程局有限公司　大型水轮发电机定子铁损试验研究　周若愚／（中国水利水电第三工程局有限公司制造安装分局）　【摘要】定予铁芯损耗试验的目的是检验新装铁芯的绝缘情况和实际损耗，是检验发电机定子铁芯装　配质量的重要方法。其方法是在定子铁芯上缠绕励磁绕组，将交流电通入绕组，使铁芯发热，测量铁芯　总的有功损耗与温度，计算出单位重量铁芯损耗与温升，以此判断铁芯叠装质量　铁损是影响发电机效　率的重要指标，大型水轮发电机定子在现场叠装后，定子铁芯必须进行磁化试验，本文介绍了鲁地拉电　站定子铁损试验的方法、计算及分析方法。　【关键词】定子铁损试验大型水轮发电机鲁地拉电站　方法　０引言　定子铁损是发电机能量损失之一，其原因是　机座外径为ｑ￣１６２３０ｍｍ，高为４４４５ｍｍ。定子铁　芯采用高导磁、低损耗、无时效优质进口硅钢片　Ｍ２５０—５０Ａ冲制而成，全圆由４５张扇形叠片组　成。铁芯外径为￣１５０７０ｒｎｍ，内径为￣１４１３０ｍｍ，　由于发电机运行时铁芯内部产生涡流，涡流经过　铁芯，会使铁芯内部产生热能，这种热能是消耗　能量的，故称为铁损。铁损包括磁性材料的磁滞　损耗和涡流损耗以及剩余损耗，单位为Ｗ／ｋｇ（瓦　／千克）。磁滞损耗是指铁磁材料作为磁介质，在　一总长为２１３０ｍｍ。铁芯共５４０槽，铁芯总重为　２５９５００　ｋｇ。定子绕组为Ｆ级桐马环氧粉云母多胶　带主绝缘，全模压一次成形，绕组形式为条形波　绕组，共４个并联支路，极数为６０，绕组节距为　定励磁磁场下产生的固有损耗（在电能转换磁　能过程中所产生的损耗）；涡流损耗是指磁通发　生交变时，铁芯产生感应电动势进而产生感应电　流，感应电流呈旋涡状，称之为涡流：感应电流　１一ｌ１　１９，每极每相槽数为３，绕组循环序数为３。　定子线棒端头采用连接板银焊结构，端部绝缘结　构为绝缘盒封口后灌注胶填充，共１０８０根线棒。　表１发电机主要结构参数　发电机型号　ＳＦ　３６０．６０／１５ｌ４０　在铁芯电阻上产生的损耗就是涡流损耗，剩余损　耗是指除磁滞损耗和涡流损耗以外的损耗，由于　所占比重较小，也可忽略不计。　额定容量／额定功率（ＭＷ／ＭＷ）　额定电压（ｋＶ）　额定电流（Ａ）　４００／３６０　１８　１２８３０　铁损不仅影响发电机效率，而且可能因铁芯　内部短路，产生局部过热，加速铁芯绝缘和定子　线圈绝缘的老化，严重时可能造成铁芯烧损和线　圈击穿事故，所以在工地叠装的铁芯，都应做铁　损试验，铁损试验是检查定子铁芯绝缘情况比较　有效的方法。　额定功率因数　额定转速（ｒ／ｍｉｎ）　０．９（滞后）　１０Ｏ　额定频率（Ｈｚ）　５０　２试验原理　在叠装完成的发电机定子铁芯上缠绕励磁　绕组，绕组中通入交流电流，使之在铁芯内部产　１定子参数　鲁地拉水电站水轮发电机组定子设备由阿　尔斯通股份有限公司制造供货，发电机主要结构　参数见表１。　生接近饱和状态的交变磁通，从而在铁芯中产生　涡流和磁滞损耗，使铁芯发热。如果铁芯中片间　绝缘受损或劣化，这一部分将产生较大的涡流，　温度就会很快升高。　定子机座分成７瓣，在现场进行拼焊成整圆。　用酒精温度计测量定子铁芯、上、下压板及　３５　水电施工技术２０１７年第３期总第８９期　定子机座的温度，计算出温升和温差；用红外线　ｓ一铁芯轭部截面（ｍ　）；　测温仪查找局部过热点及辅助测温；在铁芯上缠　绕测量绕组，测量其感应电压，计算出铁芯轭部　总的有功损耗。根据测量结果与设计要求比较，　判断定子铁芯的制造、安装质量。　Ｂ一试验时铁芯轭部磁通密度，Ｉ　Ｔ（理论数　值）；　考虑到漏磁和长距离励磁电缆电阻影响，为　保证１　Ｔ的磁通密度及励磁绕组对称均匀缠绕，　３试验理论数值计算　鲁地拉电站定子铁芯断面如图１所示。　按励磁绕组匝数相应减少２－４匝，确定定子铁损　试验励磁线圈匝数为８８匝。　３）励磁绕组电流　Ｉ＝ｒｃ（ｄ２．ｈａ）Ｈ０／Ｎｒ＝ｌ０５．６Ａ　式中：Ｈ０一硅钢片安匝数，２．０安匝／厘米（制　造厂提供的数据）。　４）励磁线圈功率　Ｐ＝ＵＩ　ｘｌｘ　１０－３￣１０５６ｋＶＡ　因此应选取容量不小于１０５６ｋＶＡ的电力变　压器。　５）铁芯轭部总重量　Ｇ＝ｕＤａｖＳｘｐ＝３．１４ｘ（１５．０７—０．２７５４）　ｘ０．４８７６１５ｘ７．８＝１７７６５１．９３（　）　式中：ＤａＶ一铁芯轭部平均直径（单位：ｍ）　Ｐ一定子铁芯密度，７．８×１　０　ｋｇ／ｍ　图１　定子铁芯断面图　１）铁芯有效长度　Ｌ＝ｋｘ（Ｌ１．ｎｘｂ）＝ｌ７７．０５７ｃｍ　４试验设备与接线　４．１试验设备　电源电缆：１０ｋＶ电力电缆（铜芯），截面　３ｘ７０ｍｍ　，８０ｍ；　铁芯轭部高度　ｈａ＝（ｄ２一ｄ１）／２一ｈ１＝２７．５４ｃｍ　铁芯轭部截面积Ｓ＝Ｌｘｈａ＝４８７６．１　５０ｃｍ２　式中：ｋ一定子铁芯压紧系数，０．９５５（铁芯　励磁线圈：１０ｋＶ无屏蔽交联电力电缆，截　面３ｘ７０ｍｍ　，８００ｍ：　压紧后实际计算值）；　Ｌｌ一定子铁芯总长，　２１３ｃｍ；　测量线圈：多股铜芯软线，２．５　ｍｍ　，２００ｍ；　机座接地线：裸露铜编织线，５０舢ｎ　，５０ｍ：　１０ｋＶ、２００Ａ断路器开关柜，１面；３００Ｖ、　Ｎ～定子铁芯通风槽数量，４６；　Ｂ一定子铁芯通风槽宽，０．６ｃｍ；　５Ａ／０．５级低功率因数瓦特表，１块；１５０．３００Ｖ、　０．５级交流电压表，２块；２．５～５Ａ、Ｏ．５级交流电　流表，１块；１００００／１００　Ｖ、０．５级电压互感器，１　只；５００／５Ａ、０．２级电流互感器，１只：０～１００。Ｃ　ｄ２一定子铁芯外径，１５０７ｃｍ；　ｄ１一定子铁芯内径，１４１３ｃｍ；　ｈ１一定子铁芯齿高，１９．４６ｃｍ。　２）励磁线圈匝数　红外线测温仪，２把；０～１００。Ｃ、Ｌ＝３３０ｍｍ酒　Ｎｒ＝Ｕ２／（４．４４ｆｘＳｘＢ）＝９２．４　式中：Ｕ２一励磁线圈电源电压，１００００Ｖ；　Ｆ一试验电源频率，５０Ｈｚ；　精温度计：６０支；１３０分贝噪音测量计，１只。　４．２试验接线　铁损试验在安装间进行，励磁电源进线高　３６　中国水利水电第三工程局有限公司　压开关柜布置在离定子机座下游方向处。根据　水轮发电机定子现场装配工艺导则ＳＤ２８７．８８，　定子铁损试验时，当定子铁芯有效重量超过　ＤＬ一断路器　４．３温度点的布置　将测温点按上、中、下三层均匀布置在定子　１００￣１０　ｋｇ时，建议试验电源取６００ｖ以上，以　免励磁电流过大，增加绕线难度，结合现场实　际情况，励磁电源采用安装间左侧的变压器高　压侧１０ＫＶ施工用电，经３￣７０ｍｍ２的高压电缆　连接到试验断路器上，需注意设置试验断路器　铁芯上，紧贴铁芯，测点处用石棉泥保温，按约　定顺序进行编号。测温点布置从１槽为起点依次　编号，酒精温度计共选１２槽均匀布置，每槽布　置在上、中、下三部（共计３６个测点），在＋ｘ、　一Ｘ、＋Ｙ、－Ｙ方向的上下压板上，也各安装一个　上的保护参数。在定子铁芯上按相同方向缠绕　励磁线圈，为了试验期间可能需要的绕组数的　变更，励磁电缆长度需留有缠绕定子铁芯两圈　约２０米的余量，再制作高压电缆头。试验接　线如图２所示。　根据计算，励磁线圈应选择励磁线圈导线的　选择：按每３．０Ａ／ｍｍ　计算，所需励磁电缆芯线　截面积为１０５．６／３．０＝３５．２ｍｍ　，从电缆的安全性　能及环保节约考虑，励磁电缆采用制造厂家提供　的截面积为７０舢ｎ　的电缆。励磁绕组分四个区　域对称缠绕，每个区域缠绕２２圈。　为了检查铁芯磁场是否均匀，在铁芯１８０ｏ　方向布置两组测量线圈，测量线圈用２．５ＩＩ１１＂１＂１２的　导线，按图４．１缠绕，各绕１匝，分别引至Ｕ１１　与Ｕ１２。测量线圈应１８０度对称布置测量绕组应　包绕定子有效铁芯，但不应包绕定子整个机座。　图２铁芯磁化试验接线原理图　图中：Ｕ１一励磁电压测量电压表　Ｕ１　ｌ、ｕｌ２一感应电压测量电压表　Ａ一励磁电流测量电流表　ｗ一低功率因素瓦特表　ＰＴ一电压互感器　ＣＴ一．电流互感器　温度计，上下压板安装的温度计总共是８个，在　机座内壁处的中部均匀布置４个温度计。以红外　线测温仪巡检铁芯四周各个部位温度，但不作记　录。温度测量点布置如图３所示。　上压摄测澄点　铁芯上鄯测ｉ盎点　铁芯中部测温点　铁芯下部揆ｊ温点　图３　温度测量点布置图　５现场试验　５．１试验注意事项　１）彻底清扫定子，全面检查机座和铁芯，　特别检查通风沟、上下端部等位置、各环板间，　保证各处无残留金属物件；　２）用５０ｒａｍｚ的铜编织线将定子机座可靠接　地；　３）试验用高压开关柜经调试、试验合格，　然后不带负荷分合闸操作３次，正常；　４）测量线圈应紧靠定子铁芯在两组励磁线　圈中间位置缠绕一圈，在线圈经过定子铁芯棱角　处用足够强度的绝缘垫防护，以防止线圈受损；　５）下列情况下，试验应终止：　整个试验持续９０分钟；或折算到１Ｔ时，　铁芯的最高温升超过２５。Ｃ；或折算到１Ｔ时，铁　芯与机座间的最高温差超过１５ｏｃ；以及试验过　程中有局部打火、发红甚至冒烟或振动过大等现　３７　水电施工技术２０１７年第３期总第８９期　象发生。　１５￣Ｃ：　５．２试验过程　铁芯和机座最大温差不超过１５。ｃ。　１）预合试验用断路器给铁芯励磁，观察铁　若不能满足要求，需进行检查，在试验中，　芯及测量表计有无异常，根据读数校核磁化时磁　定期检查铁心温度，以免发生“过热点”，对温度　通密度在１Ｔ左右，如偏差过大要调整励磁线圈　超过铁心平均温度ＩＯ￣Ｃ以上的“过热点”进行修　匝数，然后分开断路器；　补。检查时间不得超过ｌ５分钟；　２）各部位正常以后，记录好各表计的初始　５）铁损试验合格后，重新检查压紧螺杆力　值，合试验用断路器，同时开始计时；　矩值，如果力矩值减小，重新拧紧压紧螺杆，直　３）整个试验持续９Ｏ分钟，每隔十分钟记录　到力矩值达到成家给定值。　＿次各表　读　’并用红外测温仪随时监测各部　６试验结果及分析　位温度，找出高温区进行重点监测；　４）试验过程中温度控制：　以鲁地拉电站４≠≠机定子铁损试验为例，试　定子铁芯各部位的最高温升不超过２５。Ｃ；　验中定子铁芯温度记录见表２、表３，参数测量　定子铁芯齿部相互间的最大温差不超过　记录及计算见表４。　表２　铁芯温度（３６点酒精温度计）　位置：铁芯齿部　单位：。Ｃ　＼时间槽　试验时间（分钟）　号＼　０　１Ｏ　２０　３０　４０　５０　６０　７０　８０　９０　上　２６　２６　２７　２８　３０　３０　３１　３２　３４　３６　１　中　２５　２６　２６　２７　２８　２８　２８　３０　３０　３１　下　２５　２６　２６　２７　２８　２８　２８　３０　３０　３１　上　２６　２６　２７　２８　３０　３０　３０　３１　３１　３１　４５　中　２６　２６　２７　２７　２８　２９　２９　３０　３０　３０　下　２５　２６　２６　２８　２８　２９　２９　３０　３０　３０　上　２６　２６　２７　２８　２８　２９　３Ｏ　３１　３ｌ　３３　９０　由　２６　２６　２７　２７　２８　２９　２９　３０　３１　３２　下　２５　２６　２７　２８　２８　２９　２９　３０　３０　３１　上　２６　２６　２６　２７　２９　３０　３０　３１　３ｌ　３２　１３５　由　２６　２６　２７　２８　２８　２９　３０　３ｌ　３１　３２　下　２５　２６　２７　２８　２９　２９　３０　３Ｏ　３０　３０　上　２６　２６　２７　２８　２９　２９　３０　３０　３ｌ　３３　１８０　中　２６　２６　２６　２７　２８　２９　３０　３０　３１　３１　下　２５　２６　２７　２８　２８　２９　２９　３０　３０　３０　上　２６　２６　２７　２８　２９　３０　３１　３ｌ　３２　３４　２２５　由　２５　２６　２６　２７　２８　２８　２９　３０　３１　３１　下　２５　２６　２６　２７　２８　２８　２９　３０　３０　３０　上　２６　２６　２８　２８　２８　３０　３１　３１　３ｌ　３２　２７０　由　２５　２５　２８　２８　２９　２９　３０　３０　３１　３２　下　２５　２６　２８　２８　３０　３０　３０　３Ｏ　３１　３１　上　２６　２６　２８　２９　３０　３ｌ　３ｌ　３１　３２　３２　３ｌ５　中　２５　２６　２７　２８　２９　２９　３０　３０　３１　３１　３８　中国水利水电第三工程局有限公司　３１５　下　３０　３０　３０　３１　３１　３５　３５　３５　３５　３５　上　２５　２７　２７　２８　２９　３０　３０　３１　３１　３２　３６０　由　２５　２８　２８　２９　３０　３０　３０　３０　３１　３２　下　２５　２８　２８　２７　３０　２９　３０　３１　３２　３２　上　２６　２７　２８　２８　２９　３０　３０　３０　３１　３２　４０５　由　２５　２５　２９　２９　２９　２９　２９　３０　３１　３２　下　２５　２５　２６　２８　２８　３０　３０　３０　３１　３２　上　２６　２６　２８　２８　２９　２９　３０　３０　３１　３１　４５０　中　２５　２６　２８　２９　２９　３０　３ｌ　３ｌ　３ｌ　３２　下　２９　２９　２９　３０　３０　３０　３２　３２　３２　３２　上　２５　２８　２７　２７　２８　２８　２９　３０　３２　３２　４９５　由　２５　２８　２６　２８　２９　２９　２９　３０　３１　３１　下　２６　２８　２７　２９　３０　３０　３０　３１　３２　３２　最大值　３０　３０　３０　３１　３１　３５　３５　３５　３５　３６　表３铁芯最大温度（９点红外线热像仪）　位置：铁芯　单位：。Ｃ　试验时间（分钟）　测试点　０　１０　２０　３０　４Ｏ　５０　６０　７０　８Ｏ　９０　ＩＴ１０　２７．６　２７．２　２８．１　２９．８　３１．９　３３．８　３４．６　３５．０　３７．０　３７．７　ＩＴＩ１　２８．Ｏ　２７．６　２８．５　２９．７　３１．６　３３．８　３４．６　３４．９　３６．４　３７．５　Ｉ　ｎ２　２７．９　２７－３　２８．４　３１．８　３０．５　３３．８　３４．８　３５．５　３７．９　３７．６　ＩＴＩ３　２７．９　２７．４　２９．１　３０．７　３０．０　３２．２　３４．６　３５．８　３６．６　３７．８　ＩＴＩ４　２８．０　２７．４　２８．０　３０＿３　３３．１　３３．４　３５．０　３６．０　３６．７　３７．８　ＩＴＩ５　２８．１　２７．２　２９．３　３０．０　３２．８　３４．０　３５．２　３６－３　３６．４　３７．４　ＩＴＩ６　２７．７　２７．１　２８．８　３０．５　３２．９　３４．１　３５．Ｏ　３６．４　３６．５　３７Ｉ３　ＩＴＩ７　２７．８　２７．６　２８．６　３０．１　３１．４　３３．４　３４．８　３６－３　３７．０　３７．６　ＩＴＩ８　２８．Ｏ　２７．７　２８．６　３０．Ｏ　３１．５　３４．１　３５．０　３６．０　３７．６　３７．７　最大值　２８．１　２７．７　２９＿３　３１．８　３３．１　３４．１　３５．Ｏ　３６．４　３７．６　３７．８　表４参数测量记录及计算　时间　励磁绕组　测量绕组　测量　轭部单位　硅钢片　功率　铁损　单位铁损　Ｔ／ｍｉｎ　Ｕ２，Ｖ　州ｚ　Ｉ／Ａ　Ｕ１，Ｖ　Ｂ１／Ｇｓ　Ｅ０　△ＰＦ　Ｗ／ｋｇ　△ＰＦ　Ｗ／ｋｇ　０　１０３．５　４９．９８　７８．０　２１．Ｏ　１０６．５　９７９０．９６５　２２ｌ７６０　１．２８９　０．８８３　１Ｏ　１Ｏ３．５　５０．０３　７８．０　２１．０　ｌ０６．５　９７８１．１８０　２２ｌ７６０　１．２９０　０．８８３　２０　１０３．７　５０．０１　７９．０　２１．５　１０６－３　９７６６．７１６　２２７０４０　１．３２６　０．９０７　３Ｏ　１０４．２　４９．９８　８４．０　２２．０　１Ｏ６．Ｏ　９７４４．９９８　２３２３２０　１．３６３　０．９３３　４０　ｌ０３．７　４９．９８　８４．０　２２．０　１０６．０　９７４４．９９８　２３２３２０　１．３６３　０．９３３　５０　１Ｏ３．８　４９．９７　８４．０　２２．Ｏ　１ｏ６．Ｏ　９７４６．９４８　２３２３２０　１．３６３　０．９３３　６０　１０３．９　４９．９７　８５．Ｏ　２２．Ｏ　１０６．１　９７５６．１４３　２３２３２０　１．３６１　０．９３２　７０　１０３．６　５０．０１　８５．０　２２．０　１０６．１　９７４８．３４０　２３２３２０　１－３６１　０．９３２　８０　ｌ０３．７　４９．９８　８５．Ｏ　２２．Ｏ　１Ｏ６．１　９７５４．１９１　２３２３２０　１－３６１　０．９３２　９０　１０３．６　４９．９７　８５．０　２２．０　１Ｏ６．１　９７５６．１４３　２３２３２０　１＿３６ｌ　０．９３２　平均值　１０３．７　４９．９９　８２．７　２１．７５　１Ｏ６．２　９７５９．０６２　２２９６８０　１＿３４４　０．９２０　３９　水电施工技术２０１７年第３期总第８９期　结果分析有关公式：　１）实际磁通密度　Ｂ１＝Ｕ１／（４．４４ｘＮｍｘＳ）　铁芯最高温升Ｚｘｔ２＝１４．５Ｋ＜２５Ｋ（标准），　满足规范要求；　铁芯与定子机座最大温差为ｌ４．５ｏｃ＜　其中：Ｕ１为测量线圈感应的电压（Ｖ）。Ｎｍ　为测量线圈的匝数（匝），Ｎｍ＝１，Ｓ为定子铁芯　轭部截面积（ｍ２），Ｂ１的单位为（高斯）。　１５。Ｃ（标准），满足规范要求。　７结语　水轮发电机定子铁损试验主要用于检验定　子铁芯装配质量，是水轮发电机最重要的电气试　验之一。本文通过阐述鲁地拉电站定子铁损试验　的原因、目的、参数计算和试验方法及原理，得　２）换算至１００００高斯时的单位铁损ＡｐＦ。　＝（ＰＦ。／Ｇ）×（１００００／Ｂ１）　×（５０ｉｆ）　（ｗ／ｋｇ），　式中，ＰＦ。为实际测量得到的总铁损（ｗ），　ＰＦｅ＝ｗ×（Ｎｒ／Ｎｍ）ｘＫＩ，Ｇ为铁芯轭部重（１　），ｆ为励　磁电压频率；ｗ为瓦特表的读数，Ｋｌ是电流互　出了大型水轮发电机定子铁损试验的一些技术　经验：根据发电机定子参数进行计算，合理选择　感器的，Ｎｒ为励磁线圈匝数。　３）换算至１００００高斯时，最高齿温差Ａｔｌ＝　（ｔｌ—ｔ２）×（１００００／Ｂ１）　，ｔ１铁芯（或齿温）最　试验设备及接线，提高测量数据的准确率，对实　验数据和理论计算数据不同分析，以及合理布局　试验过程。　高温度３７．８。Ｃ，ｔ２最低铁芯（或齿温）２５。Ｃ。　４）换算至１００００高斯时，铁芯最高温升　通过鲁地拉电站定子铁损试验，铁芯、机座　△ｔ２＝（ｔ３．ｔＯ）×（１００００／Ｂ１）２　ｔ３铁芯（或齿　温）最高温度３６。ｃ，ｔ０铁芯初温２６。Ｃ。　结论：　１）铁芯损耗　环板、拉紧螺杆、齿压板、通风槽等均无异常现　象，且定子通过噪声计测量最大噪音均未超过　９５ｄｂ，表明铁损试验工艺合理有效，为机组下一　步安装工序提供了有力保证，同时也为其他大型　铁芯轭部单位损耗ＡＰＦｅ＝１．３４４Ｗ／ｋｇ＜　１．３６５　Ｗ／ｋｇ（标准），满足规范要求；　铁芯硅钢片单位损耗ＡＰｎ＝０．９２０Ｗ／ｋｇ＜　１．０５　Ｗ／ｋｇ（Ｍ２５０．５０Ａ在１Ｔ时标准），满足规范　要求。　２）各部温度　铁芯最大温差△ｔｌ＝１３．４。Ｃ＜准），满足规范要求；　１５。Ｃ（标　水轮发电机定子铁损试验提供了有效的技术借　鉴和指导。　【参考文献】　［１］李建明，朱康．高压电气设备试验方法　．北京：中　国电力出版社，２ｏ０１：４９４—４９８；　［２】水轮发电机组安装技术规范ＧＢ／Ｔ８５６４—２００３．　喀双项目安装洞边墙混凝土浇筑完成　日前，第四分局喀双ＩＩ标项目安装洞边墙混凝土浇筑全部完成，为２０吨桥机顺利吊装以及后期　ＴＢＭ进场组装打下坚实基础。　项目部在施工浇筑期间，现场保证了２４小时施工，做到人停机不停，克服了高温酷暑、机器抢　修等重重困难。现场主管领导对施工顺序、机械及人员配备进行里精细化管控，把工作落实到具体　责任人，并多次召开技术交流会，查找并解决浇筑存在的问题，使现场技术人员更明确施工流程和　注意事项。项目领导班子更是分班督导，紧盯现场，靠前指挥，有条不紊地推进各项工作。　４０