發電機定子鐵耗試驗方案改進與實踐

李書平,陳子明,易非凡,陳富杰,張 蕓,劉 歡,陳啟豪,錢厚軍,汪運律

(1.浙江萬納核電檢修有限公司，浙江 海鹽 314300;2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠發電機定子鐵芯是由0.35 mm厚涂有一層薄絕緣漆膜的硅鋼片疊片疊裝，并通過定位筋將疊片的一端短接固定而成的。疊片間絕緣漆受損后，鐵芯在發電機工作時會產生故障電流,引起鐵芯絕緣漆受損處溫度異常升高，對鐵芯造成破壞，同時還會導致與鐵芯相鄰的繞組絕緣損壞。因此在發電機交接試驗、局部或全部更換定子繞組前后，以及在懷疑定子鐵芯有損傷等缺陷時都需要進行定子鐵耗試驗。[1]在進行鐵耗試驗前，需先確定試驗方案。本文通過對秦一廠的三種定子鐵耗試驗方案應用案例進行研究，為其他電廠的鐵耗試驗方案的改進提供借鑒。

1 背景

目前國內現行的定子鐵耗試驗方法可分為三種：一是使用試驗變壓器將中壓(數千伏)變為低壓(數百伏)后作為試驗電源的傳統低壓高強磁通定子鐵芯損耗試驗(簡稱“傳統鐵耗”)；二是將傳統高強磁通鐵芯損耗試驗進行改進，用中壓電源(數千伏)直接作為試驗電源的中壓高強磁通定子鐵芯損耗試驗(簡稱“中壓鐵耗”)；三是國內新近采用的電機鐵芯故障診斷 (簡稱“ELCID試驗”)。三種定子鐵耗試驗方案各有其優缺點，電廠在試驗時往往難以選擇。

秦一廠發電機是上海發電機廠1988年生產雙水內冷汽輪發電機，經歷過兩次擴容改造，發電機及鐵芯參數如下：型號：QFS-350-2、定子額定線電壓Ui：18 000 V、額定工況下定子軛部磁密：1.584 5 T、定子鐵芯厚度：0.35 mm、定子鐵芯代號：Z10、定子鐵芯外徑D1：240 cm、鐵芯軛部高度hys：41.6 cm、定子鐵芯軛部重量m：87 690.37 kg、鐵芯軛部有效截面Q：1.809 6 m2。三種鐵耗試驗方案均有實踐，下面通過對三種鐵耗試驗方案在秦一廠的實踐過程及結果分析，以期能為其他電廠的鐵耗試驗改進研究提供幫助。

2 傳統鐵耗試驗

2.1 試驗方案

2007年秦一廠發電機擴容改造進行鐵耗試驗時，廠內正值6臺油浸式變壓器(簡稱“油變”)更換干式變壓器(簡稱“干變”)改造，現場有多臺更換下來的油變可作為試驗變壓器，故選用了傳統低壓鐵耗試驗。

試驗方案：發電機抽出轉子后，在定子鐵芯上纏繞勵磁繞組及測量繞組，通過試驗變壓器將交流電流通入勵磁繞組勵磁,使定子膛中產生額定磁通80%～100%的磁通量;定子鐵芯在交變磁通中產生渦流損耗和磁滯損耗，使鐵芯振動和發熱。通過測量測量繞組的感應電壓及勵磁繞組的勵磁電流，測量試驗鐵芯損耗，并使用測溫儀器測量高溫點溫升，計算出單位重量鐵芯有功損耗等數據。將計算的鐵芯損耗及溫升與標準值進行比較，判斷鐵芯是否有絕緣缺陷，實現定子鐵芯檢查。

2.2 試驗參數計算和實施

試驗選用了3臺額定容量為Sn=1000 kVA，額定電壓比U1/U2=6.3 kV/0.4 kV的油變，并將變壓器高壓繞組同相并聯、低壓繞組選一組同相位線電壓順向串聯作為傳統鐵耗的勵磁電源，見圖1。

圖1 傳統鐵耗試驗原理圖

勵磁電壓U1與勵磁線圈匝數W1關系：

(1)

式中：f——勵磁電源頻率，50 Hz；

B——磁通密度，取1.35 T。

估算勵磁電流：

(2)

式中：H——鐵芯單位長度安匝數(取2.26安匝/cm)。

測量線圈匝數W2和測量電壓U2的關系：

(3)

鐵耗試驗時間：

(4)

使用三臺油變低壓繞組一組同相位線電壓順向串聯后作為勵磁電源時，勵磁電壓U1約為1.2 kV，根據公式(1)～(4)計算得出：勵磁線圈的匝數W1：2匝；勵磁電流I：739.5 A；測量線圈的匝數W2：1匝；測量線圈電壓U2：0.6 kV；鐵耗試驗時間t：50 min。按照3 A/mm2的電流密度計算，采用1×400 mm2的3 kV無屏蔽軟電纜作為勵磁線圈，以1×2.5 mm2的1 kV無屏蔽電纜作為測量線圈。為避免合閘時的暫態勵磁電流誤觸發保護動作，速斷整定值設定為600 A,延時0 s，過流整定值設定160 A，延時0.8 s。將油變輕瓦斯信號接6.3 kV開關的報警，重瓦斯信號接開關跳閘。

2.3 試驗結果分析

秦一廠發電機硅鋼片代號為Z10，厚度為0.35 mm，按廠家規定：磁通密度折算到1 T時的單位損耗應不大于0.8476 W/kg。鐵芯最高齒溫差折算到1 T時不超過15 K，鐵芯最高溫升折算到1 T時不超過25 K。此次傳統鐵耗試驗總耗時5 d，鐵芯勵磁試驗50 min，試驗數據見表1。經校算，試驗時磁通密度約為1.382 T，磁通量約為額定磁通量的87%。鐵芯單位損耗和溫升滿足廠家要求。

表1 傳統鐵耗試驗數據表

3 中壓鐵耗試驗法

3.1 試驗方案

2018年秦一廠第二次擴容改造進行發電機鐵耗試驗時，現場缺少合適的試驗變壓器作為試驗電源，在聽取同行建議后，采用直接將中壓廠用電作為勵磁電源的中壓鐵耗試驗方法進行試驗。詳見圖2。

圖2 中壓鐵耗試驗原理圖

3.2 試驗的參數計算與實施

秦一廠中壓廠用電源為6.3 kV，通過公式(1)～(4)得出：勵磁線圈的匝數W1：12匝；勵磁電流I：115 A；測量線圈的匝數W2：1匝；估算測量線圈電壓U2：525 V；鐵耗試驗時間t：60 min。勵磁線圈采用1×120 mm2的10 kV無屏蔽電纜，測量線圈采用1×2.5 mm2的1 kV無屏蔽電纜。為避免試驗合閘時暫態勵磁電流和勵磁涌流誤觸發保護動作，將6.3 kV試驗電源開關的速斷保護定值設定為1800 A，延時0 s；過流保護定值設定為400 A，延時0.3 s。

3.3 試驗結果分析

此次中壓鐵耗試驗總耗時2 d，鐵芯勵磁試驗60 min，試驗數據合格。試驗數據見表2，經校算，試驗時磁通密度為1.289T，磁通量約為額定磁通量的81%。鐵芯單位損耗和溫升滿足廠家要求。

表2 中壓鐵耗試驗數據表

4 ELCID試驗法

4.1 試驗方法

2019年，秦一廠在發電機擴容改造運行一個循環后進行解體大修時，為了檢查發電機鐵芯的狀況，需再次進行一次鐵耗試驗。由于此次發電機大修工期較短，考慮到傳統鐵耗試驗和中壓鐵耗試驗的特點，電廠決定應用ELCID試驗技術進行鐵耗試驗。

ELCID定子鐵芯損耗試驗原理：為定子鐵芯附加纏繞的勵磁繞組通入很小的勵磁電流，使定子鐵芯內產生額定磁通4%的磁通量。當定子鐵芯疊片間絕緣受損發生短路故障時，會與周向磁通形成一個閉合回路，感應出與勵磁電流180°相位差的故障電流。試驗人員在定子膛內推動chattock線圈(膛內沒有擋風圈的機組可在不抽轉子的工況下通過搭載在爬行小車上爬行)，使chattock線圈(承擔建立試驗磁場和測量勵磁電流功能)在定子膛內沿鐵芯線槽滑動。同時，為了覆蓋鐵芯所有的內表面，每次一個中間的槽及相鄰兩個鐵齒進行檢查(如圖3所示)。chattock線圈固定于每兩個相鄰槽的邊緣，主機接chattock線圈信號后，利用信號處理處理器與采自勵磁電流的參考信號進行對比分析，以故障電流(通過信號處理器從勵磁電流中分解獲得)的大小及相位來判斷鐵芯是否有故障。

圖3 chattock線圈原理圖

圖4 ELCID試驗原理圖

4.2 試驗參數計算

由于ELCID試驗只需給鐵芯施加4%額定磁通，因此ELCID鐵芯試驗需要的勵磁電流、勵磁電壓只有發電機正常運行時的4%。[2]

ELCID試驗時的勵磁電壓

(5)

式中：K——節距因數(取0.92)；

tp——每相匝數。(注：試驗時按照試驗指導書建議，將勵磁電壓U1設定為26.5 V)

利用公式(2)，估算出勵磁線圈W1為1匝時，勵磁電流I約為60 A。

ELCID試驗電源容量

S=KSUrI=1.77 kVA

(6)

式中：KS——電源容量系數，一般取1.1。

4.3 試驗結果分析

通過ELCID儀器對發電機定子全部線槽及端部階梯部位進行了測量,故障電流均小于100 mA。此次ELCID試驗總耗時0.5 d，鐵芯勵磁時間180 min。經校算，ELCID試驗的勵磁電壓U1為26.5 V，實際磁通密度B約為0.064 T，實際磁通是額定磁通的4%。

5 結論

通過3種鐵耗試驗案例對比分析得到表3：三種鐵耗試驗方案特點對照表。

表3 三種鐵耗試驗方案特點對照表

對比發現：ELCID定子鐵耗試驗的試驗儀器小巧便攜，人力投入少，試驗時的磁通量僅有額定磁通的4%，對發電機定子鐵芯無損，還能作為故障探測手段對故障精確定位；目前，該技術已發展到將激磁和測量裝置小型化處理并搭載在自動爬行小車上，在定子膛內無擋風圈的機組可實現不抽轉子檢查鐵芯狀態，比傳統鐵耗試驗方案和中壓鐵耗試驗方案更符合如今發電機定子鐵芯檢查。