沐若水电站水轮发电机定子铁损试验工艺探讨

钟珍华 钟必胜

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410007）

沐若水电站地处马来西亚的婆罗洲岛沙捞越州，坝址位于拉让（Rajang）河流域源头沐若河上。装有4 台236 MW 水轮发电机，均由哈尔滨电机股份有限公司制造。铁损试验在定子组装叠片完毕，定子下线开始之前进行，其中硅钢片型号为50W250。

1 铁损试验概述

铁损是发电机能量损失之一，其原因是由于发电机运行时铁心内部产生涡流，涡流经过铁心，使铁心内部产生热能，这种热能是消耗能量的，故称为铁损。铁损不仅影响发电机效率，而且可能因铁心内部短路，产生局部过热，加速铁心绝缘和定子线圈绝缘的老化，严重时可能造成铁心烧损和线圈击穿事故。铁损试验是检查定子铁心装配质量和绝缘情况的有效方法。

定子铁损试验需要专门的励磁电缆缠绕在定子铁心上，使铁心内部形成接近饱和状态的磁场，这样铁心中绝缘劣化部分将产生较大的涡流，温度很快升高，利用酒精温度计和红外线测温仪测出各部位温度。铁心中松动部位将产生较大的磁噪声。利用电气仪表测出励磁功率损耗，计算出铁心单位重量所损耗的功率，与标准允许值相比较，即可判断定子铁心的叠装质量。为便于对各次测量结果的比较，通常尽可能采用1 T 的磁通密度和50 Hz 的电源。

2 试验电源选择

铁损试验所需励磁电源为A、C 两相，对于提供电源者而言，则为三相不平衡负载，其中不平衡电流将会很大。以往试验电源都是直接取自电网经施工变而来，铁损试验所产生的不平衡电流对于电网影响不大。

沫若电站由于现场条件有限，主厂房无法直接取得电网电源，需柴油发电机供电，而铁损试验为三相不平衡负荷，柴油发电机所带负荷不平衡的这种运行工况属于不正常运行工况，根据相关资料的分析结合柴油发电机设备厂家意见，在试验过程中，柴油发电机负荷应控制在额定负荷的20%以内。施工现场柴油发电机单机最大功率为1 200 kW，所以需要并机运行。根据现场设备情况，铁损试验电源由1台1 200 kW、1 台1 000 kW、2 台800 kW 共4 台柴油发电机并列运行，作为低压侧400 V 电源，总功率为3 800 kW，总容量为4 750 kVA。经S9-1600/11 升压变压器，送至现场12 kV 高压开关柜。每台柴油发电机均有TGCM 综合控制模块，此模块含有发电机监控、保护、并机等程序，可以实现自动并机和实时监控运行。在每台柴油发电机出口零线用2 根240 mm2铜心电缆单独接地，作为不平衡电流泄漏点，且与柴油发电机接地点区分开。

3 参数计算

发电机定子铁芯断面如图1。

图1 定子铁芯断面图

3.1 定子铁芯基本参数

铁芯内径d1=6 480 mm；铁芯外径d2=7 500 mm；铁芯高h=2 730 mm；铁芯压紧系数，取k=0.96（制造厂提供的数据）；通风沟宽度b=6 mm；通风沟数量n=64；硅钢片安匝数，取H0=1.8 安匝/cm（制造厂提供的数据）；槽深h1=160.3 mm。

3.2 参数计算

（1）铁芯有效长度L=k×（h-n×b）=225.216 cm。

（2）铁芯轭部高度ha=（d2-d1）/2-h1=34.97 cm。

（3）铁芯截面积S=L×ha=7875.8035 cm2。

（4）励磁线圈匝数W1=U1/（4.44f×S×B）×108=66.06（B=1.0×104Gs）

匝数取64 匝。

（5）励磁绕组电流I=π（d2-ha）H0/W1=63.178 A。

（6）电源容量P=U1I=729.706 kVA。

本次试验电源为柴油发电机并列运行，总容量为4 750 kVA，满足容量要求。

若测量线圈取W2=1 匝，则测量电压U2=U1W2/W1=180.47 V。

励磁线圈导线的选择：按每3.5 A/mm2计算，所需励磁电缆芯线截面积为63.178/3.5=18.05 mm2，选用1 根35 mm2的11 kV 电缆，分4个区域对称缠绕，每个区域缠绕16 圈，总长度为700 m。

（7）铁芯轭部重量：

4 试验设备和布置

4.1 试验设备

试验设备见附表。

附表 定子铁损试验设备配置表

4.2 试验布置

（1）在测量区域设置两张桌子，放置测量仪表，测量仪表按图2 接线。

（2）励磁电源布置：铁损试验在安装间进行，励磁电源进线高压开关柜布置在安装间，电源从柴油发电机厂房经施工变升至11.55 kV 取得。

（3）励磁线圈布置：如果铁损试验的励磁线圈按集中布置，会产生严重的漏磁现象，使得电机圆周上的磁通分布极不均匀，因为铁心温升大致与磁密的平方（B2）成正比，给测试与判断带来很大的困难，故按图2 在定子铁心上按相同方向缠绕励磁线圈，分4个区域对称缠绕，每个区域缠绕16 圈，共64 圈，总长度为700 m。

图2 铁心磁化试验接线原理图

（4）温度测量计的布置：铁心上按+X、-X、+Y、-Y 四个方向的上、中、下部各安装一个酒精温度计，总共12个；在+X、-X 方向的上下压板上，也各安装1个酒精温度计，共4个；定子机座按对应上下压板安装酒精温度计的位置上，在其中下部位置安装2个酒精温度计；另用远红外测温仪随时监测各位置温度，重点监视各过热区域的温度。

（5）测量线圈的布置：为了检查铁心磁场是否均匀，在铁心180°方向布置两组测量线圈，测量线圈用2.5 mm2的导线，按图2 缠绕，各绕1 匝，分别引至U21与U22。测量绕组应包绕定子有效铁心，但不应包绕定子整个机座。

5 试验步骤

（1）试验有关人员全部就位。

（2）检查试验接线的正确性，检查励磁电缆、测量电线的绝缘，绝缘值应大于5 MΩ。

（3）试验过程中，关闭有可能照射到定子铁心上的所有照明。

（4）预合试验用断路器给铁心励磁，观察铁心及测量表计有无异常，然后分断断路器。

（5）各部位正常以后，记录好各表计的初始值，合试验用断路器，同时开始计时；每隔10 min 记录一次电源电压、电流、功率、感应电压及各点温度，试验共计90 min。用红外测温仪随时监测各部位温度，找出高温区进行重点监测；试验过程中温度控制：

①定子铁芯各部位的最高温升不超过25℃；

②定子铁芯各部位的温差不超过15℃；

③上下压板温差不超过10℃；

④铁芯和机座温差不超过15℃。

（6）如局部发热较严重，应查明原因。

6 安全措施及注意事项

（1）试验前在柴油发电机房安排专人负责并联4 台柴油发电机，并密切监视柴油发电机运行工况，一旦出现异常状况，立即停止试验，切断电源。

（2）励磁绕组必须绝缘良好，并事先做好励磁电缆泄漏试验，导线不触及铁心，在铁心和机座棱角处用5 mm 的绝缘橡皮包绕励磁电缆并用扎带固定在电缆上。

（3）用70 mm2的铜扁铁将定子机座可靠接地。

（4）试验中检查、检测定子铁心温度时，不得用双手同时直接触摸铁心，以防触电。且需仔细眼观耳听，注意发现铁心松动现象，记录噪音仪数据。膛内不得存放金属物。

7 试验结果分析

7.1 结果分析有关公式

（1）实际高斯值B1=U21/4.44×f×（W2×S）

式中 U21——实际测得电压值；

F——实际频率；

W2——测量线圈匝数；

S——面积。

（2）换算至10 000 高斯时的单位铁损 P0=W/G×（10000/B1）2

式中 W——实际测量得到的总铁损；

G——铁芯重；

B1——计算出的实际磁通密度。

7.2 试验结果计算

（1）试验过程中实际磁通密度B1。

其中实际频率f 为49.10 Hz，U21为166.5 V。

（2）折算到1 T 时的单位铁损△PFe。

△PFe=W/G×（10000/B1）2=1.339 3 W/kg

W 为实际测量得到的总铁损，G 为铁心重，B1为计算出的实际磁通密度。

（3）最高铁心温升。

△t=（t1-t0）/（10000/B1）2=5.3 K，式中t1 为铁心最高温度，t0 为铁心初始温度。

（4）最高铁心温差。

△θ=（t2-t3）/（10 000/B1）2=3.18 K，式中t2、t3 为铁心最高、最低温度。

（5）最高齿压板温差。

△θ1=（t4-t5）/（10 000/B1）2=2.12 K，式中t4、t5为上下齿压板最高、最低温度。

（6）最高铁心与机座温差。

△θ2=（t6-t7）/（10 000/B1）2=3.71 K，式中t6、t7为铁心与机座最高、最低温度。

7.3 试验结果判断

据以上试验结果与计算结果可知：△t＜25 K，△θ＜15 K，△PFe＜1.3858 W/kg，△θ1＜10 K，△θ2＜15 K。在整个试验中，用红外测温仪对铁心各部位进行观察，无局部过热现象，铁心磁震动声音正常。且柴油发电机作为励磁电源带不平衡负载工作正常。

由以上试验及计算结果可知：马来西亚沫若水电站4#机组定子铁心质量合格。

8 小 结

经实践验证，本项目中所采用的试验工艺和电源方案是正确的，柴油发电机作为电源进行定子铁损试验是可行和可靠的。试验过程中柴油发电机电源相关措施和应注意事项总结如下：

（1）由于铁损试验合闸瞬间就会有730 kVA左右的不平衡负荷冲击柴油发电机，而柴油发电机并无零序或负序过流保护。铁损试验电源受电时，调节发电机出口断路器过流保护定值为1.3 倍，先并列4 台柴油发电机，以额定转速空载（功率因素为0.8）运行后，再合高压开关，带负载励磁运行。

（2）试验电源应注意的问题：试验前先进行柴油发电机并机测试；并列运行的柴油发电机在合闸瞬间，由于不平衡大负荷冲击，转速可能发生变化，柴油发电机应能稳定运行；并列运行的柴油发电机所带负荷三相不平衡，其出力应能够按柴油发电机负载能力分布，不至于使过多的不平衡电流涌向某一台机组，破坏柴油发电机；柴油发电机带不平衡负荷并列运行应能满足试验时间的要求，实验过程不应因此被中断。