小型水輪發電機定子鐵損現場試驗

裴劍輝

(安徽省蚌埠閘工程管理處，安徽 蚌埠 233000)

1 概 述

蚌埠閘水電站位于安徽省蚌埠市，屬于淮河干流蚌埠閘樞紐工程的一部分；電站裝機6臺，發電機型號為SF1000—48/3250,4號發電機于1987年并網發電。2019年8月，4號機組大修過程中，對發電機定子線圈進行交流耐壓試驗時B相絕緣擊穿；由于4號定子線圈存在整體性缺陷，計劃線圈整體更換。通過現場觀察，定子鐵心因高溫出現多處波浪變形，需要對4號定子鐵心進行鐵損試驗，檢查定子鐵心絕緣情況。

本臺機組在2016年8月運行過程中發生過短時間定子溫度超高，局部溫度達200 ℃左右。發電機運行時鐵心內部產生渦流，若鐵心內部短路，將產生局部過熱，對鐵心和線圈絕緣影響較大，嚴重的過熱可能造成線圈絕緣擊穿。4號發電機大修前，鑒于發電機定子線圈及鐵心溫度表現正常，有必要對定子鐵心進行鐵損試驗，檢查鐵心硅鋼片之間的絕緣情況，從而判斷是否需要更換定子鐵心。

2 試驗設備選擇計算

2.1 參數計算

定子鐵心外徑D1=325 cm，內徑Di1=300 cm，長L=40 cm，槽深hs=6 cm，疊壓系數kFe=0.93，通風槽數nv=7，通風槽高bv=10 mm，硅鋼片規格D41，硅鋼片厚度0.5 mm(見圖1)，相關計算如下所示：

圖1 定子鐵心示意

(1)勵磁線圈匝數：W1=U1/(4.44fQB)

取磁通密度B=1 T，電源電壓選擇U1=220 V；鐵心軸向有效長度Lu=kFe(L-bvnv)=0.93×(40-1×7)=30.69 cm；鐵心齒背高hys=1/2(D1-Di1)-hs=1/2×(325-300)-6=6.5 cm；鐵心軛部截面面積Q=Luhys=30.69×6.5=199.4 cm2；勵磁線圈匝數W1=U1/(4.44fQB)×104=220/(4.44×50×199.4×1)×104=49.7匝，W1取50匝。

(2)勵磁線圈電流：I=∑aW/W1

單位長度安匝：磁通密度在1 T時，單位安匝aW取1.6 AW/cm，鐵心需要總安匝數∑aW=πDpaW)；鐵心平均直徑Dp=D1-hys=325-6.5=318.5 cm；∑aW=3.14×318.5×1.6=1 600 AW；勵磁線圈電流I=∑aW/W1=1 600/50=32 A。

(3)測量線圈每匝感應電勢。

e=4.44fQB×10-4=4.44×50×199.4×1×10-4=4.4 V。

因使用的電壓表量程為150 V，測量線圈取W2=21匝，測量線圈總電壓U2=4.4×21=92.4 V。

(4)勵磁電源容量。

所需電源功率為：S=KsU1I×10-3。

本站廠用電變壓器容量為2臺100 kVA并聯運行，完全滿足試驗要求。

2.2 試驗器材

試驗器材如下所示(結合現場原有的儀器、材料選擇，見表1)。

表1 試驗器材及參數

3 試驗接線

(1)按選定的器材和接線圖接線(見圖2)。

圖2 試驗接線原理示意

(2)為了使定子鐵心磁通密度在圓周上分布較為均勻，采用在定子直徑方向將勵磁線圈均分2組，每組布置25匝線圈，2組線圈串聯連接。測量線圈放置在勵磁線圈成90°方位，集中1組布置，共21匝。勵磁線圈及測量線圈與機座、鐵心之間用絕緣紙墊隔開。

(3)現場有電流互感器變比為400/5 A，根據估算勵磁電流只有32 A，電流互感器接線銘牌推薦一次電流40 A，一次匝數為10匝。因此，一次軟電纜穿過電流互感器中心孔應繞10匝。

(4)機座、三相定子繞組用50 mm2銅線短路接地，同時要注意電流互感器二次側接地。

4 試驗步驟

(1)在定子鐵心上下端齒部、鐵心合縫處均勻放置9只酒精溫度計，做好溫度記錄(見表2)。

(2)通電后，勵磁線圈施加工頻220 V交流電，測量線圈感應電壓值計算的實際磁通密度B低于0.9 T，不符合《發電機定子鐵心磁化試驗導則》(GB/T 20835—2016)“水輪發電機的磁通密度應在1.0 T左右，最低應不低于0.9 T”的要求。所以，將勵磁線圈調整為42匝，對應每組勵磁線圈分別調整為21匝。

(3)通電10 min，用手摸，并使用紅外線測溫儀測量鐵心上、中、下9點的溫度，觀察是否有過熱的情況。通電后，每隔15 min測量并記錄1次勵磁線圈端電壓、測量線圈端電壓，勵磁線圈電流、功率、頻率，并記錄鐵心各測量部位溫度。

(4)本次試驗時間為90 min，記錄7次即切斷勵磁電源。

表2 4號發電機定子鐵心損耗試驗記錄

5 試驗結果分析

(1)試驗實際磁通密度：B=45U2/(W2Q)=45×89/(21×199.4)=0.956 T。

(2)單位重量鐵心損耗計算：折算到磁通密度1 T和50 Hz時，功率損耗P10=P/B2。實測鐵心最大功率損耗P=2 112 W，實際磁通密度平均值為B=0.956 T，所以，折算到1 T時功率損耗P10=P/B2=2 112/0.956 2=2 310 W。

(3)定子鐵心有效軛部重量G計算：G=π(D1-hys)Qρ×10-3。鐵心比重ρ=7.8g/cm3，G=3.14×(325-6.5)×199.4×7.8×10-3=1 555 kg。所以，磁通密度1 T時定子鐵心單位損耗：△P10=P10/G=2 310÷1 555=1.486 W/kg。

由設計圖紙提供硅鋼片型號為D41，厚度0.5 mm，其在1 T、50 Hz的標準損耗為P1(1.0)為1.45 W/kg。現場持續90 min試驗后，實測鐵損折算到1 T時的定子鐵心損耗為1.486 W/kg，應不超過標準損耗P1(1.0)的1.3倍。

經計算：1.3P1(1.0)=1.3×1.45=1.885 W/kg，可見1.486 W/kg<1.885 W/kg；因此，單位鐵損試驗合格。

(4)試驗開始至實驗結束，采用埋設的酒精溫度計和紅外熱像儀測量定子鐵心各個部位。鐵心環境溫度t0=33 ℃，試驗至90 min時，鐵心最高齒溫為t1=40.5 ℃，最小齒溫為39 ℃，最大溫升△tmax=t1-t0=40-33=7.5 ℃=7.5 K，△tmin=t2-t0=39-33=6 ℃=6 K，折算到1 T時：

鐵心最大溫升：

△tmax1=△tmax(1.0/B)2=7.5×(1.0/0.956)2=8.2 K，小于標準規定的25 K，鐵心最大溫升合格。

鐵心相同部位最大溫升與最小溫升差：

△t=(△tmax-△tmin)(1.0/B)2=(7.5-6)×(1.0/0.956)2=1.6 K，小于標準規定的15 K，溫升差合格。

6 其他檢查

紅外熱像儀測量定子鐵心所有齒部和槽部未發現明顯過熱點，試驗過程未發現鐵心有明顯振動和噪聲。

4號發電機定子鐵心通過本次現場鐵損試驗表明：單位鐵損、鐵心最大溫升、鐵心相同部位最大溫升與最小溫升差均符合《發電機定子鐵心磁化試驗導則》要求，為大修是否需要更換定子鐵心提供了事實依據。

本站對4號水輪發電機定子鐵心暫不更換，可節約資金30余萬元，大修工期提前約30 d。4號發電機組大修后，經過1年多滿載運行，定子運行工況及各項參數良好。