1750MW发电机定子铁心试验方案研究与应用分析

林 教，张 峰，孙延旭



1750MW发电机定子铁心试验方案研究与应用分析

林 教，张 峰，孙延旭

（台山核电合营有限公司，广东台山 529200）

本文分别从传统铁损试验、使用TROLLEY手持式小车和使用RIV自动小车进行ELCID试验三种试验方案，探讨适用于1750MW发电机结构特点的定子铁芯试验方案。结合不同ELCID试验方案在1、2号发电机上的实施和应用分析，提出适用于1750MW发电机结构特点的试验方案，为后续机组大修定子铁芯检查提供参考。

铁损试验；ELCID试验；手持式小车；RIV自动小车

0 前言

1750MW发电机是目前世界上单机容量最大的汽轮发电机，由法国公司设计、国内某制造厂制造。发电机为4极半速机，定子采用三段式结构，分定子中段、两端端罩，现场就位组装后焊接成一个整体。

（1）主要参数如下：

型号： TA-1800-83S

视在功率： 1955.6MVA

额定功率： 1750MW

额定电压： 27 kV

额定电流： 42767A

频率： 50 Hz

功率因数： 0.9

效率： 98.9%

额定转速： 1500 r/min

短路比： 0.47

额定氢压： 6 bar

绝缘等级： F（温升按B级考核）

冷却方式： 水-氢-氢

（2）定子铁芯数据[1]：

定子铁芯总长度：L=8.325m

齿高：h=0.219m

定子铁芯外径：D=3.579m

定子铁芯内径：D=2.270m

通风沟数：=101

通风沟宽：=0.003m

定子铁芯叠压系数：=0.97

铁芯密度：=7.65×103kg/m3

为研究现场交接试验时定子铁芯试验检测方法，我公司发电机项目组分别讨论了传统铁损试验方案、EL-CID试验方案。由于定子额定电流42767A，现场无匹配容量的试验电源，因此不具备进行传统的高强磁通的铁损试验。最终采用由IRIS公司开发的定子铁芯EL CID测试仪器进行。

由于1750MW发电机机组容量大，尺寸较国内1150MW核电机组大，定子铁芯内径达2.27m。1号机试验时，使用常规的TROLLEY手动小车进行试验，受限于测量人员高度，在测量顶部铁芯数据时遇到困难，同时手动移动小车试验时耗费时间多，工期长。因此研究并选购一套RIV自动小车在2号机现场交接试验时使用。通过1、2号机试验的对比发现，使用RIV自动小车不仅极大地提高了工作效率，节省了大量的时间，还克服了由于人工操作的不稳定造成的数据采集遗漏和偏差等问题，提高了试验数据的真实性和可靠性。

1 传统试验方法[2-6]

传统的铁损试验是在铁心上绕上励磁线圈，通以大电流，在铁心中产生周向磁通，要求铁心中的磁场强度达到或接近运行时的磁场强度，以模拟发电机运行时的情况。然后每隔一段时间用红外热像设备探测定子铁心的表面温度找出表面过热点。

根据DL/T596-1996《电气设备预防性试验规程》[7]，励磁磁通密度为1T下持续试验时间为90min。结合1750MW发电机铁芯参数计算励磁电源如下：

定子铁芯有效长度：

=(1-b)=7.78134m （取0.97）

定子铁芯轭部高度：

=（1-2）/2-c=0.4355m

定子铁芯轭部截面积：

=×=3.38877m2

定子铁轭的平均直径：

av=2(1/2-/2)=1-=3.1435m

定子铁轭重量：

=av≈256.015×103kg

试验时取磁通密度=1.0T，电源频率=50Hz，励磁线圈匝数1=2匝时，根据公式1=4.44f×1×B×S，可确定励磁电压1＝1504.6138V。

励磁电流：

=π×(1-) ×0/1（0:单位长度安匝数，取2.3×102）

=3.1415926×3.1435×2.3×102÷2

=1135.69(A)

励磁功率：

=×1×10-3

=1135.69×1505.6138×10-3

=1709.91kVA

通过上述计算可知，使用传统的铁损试验方法，需要足够大容量的试验电源和调压器。综合考虑该试验电压高、电流大、持续时间较长，现场无满足试验容量要求的设备和电源等因素，最终放弃使用传统铁损试验方案。

2 ELCID试验方法

2.1 试验原理[8--11]

ELCID试验使用4%额定励磁电压的环形线圈对铁芯励磁并产生环路磁场，通过铁芯表面的Chattock感应探头来检测因故障电流产生的磁场，如图1和2所示。

2.2 发电机励磁电压的计算

根据ELCID试验说明书[12]，对于发电机r由下式计算：

T——每相串联匝数，而每相串联导体数为2tp；

分布短距系数，通常发电机取0.92；

因此，由探测绕组测得的标准4%励磁电压由V= 0.04给出。

1750MW发电机额定线电压27kV，定子96槽，4路并联，带入上述公式计算得出需施加的励磁电压V= 0.04=42.36V。

图1 铁芯横截面故障电流

图2 探测线圈扫描放置位置

2.3 试验方法与分析

试验接线如图3所示，分别对定子中部和两端端部进行测试。

2.3.1 判断标准[13-15]

ELCID 故障电流的判定是基于长期试验的经验数据（4%额定励磁时 100mA等效于LOOP/HFRT测试5~10°C温升）。判断故障电流的三大判据：

（1）故障电流幅值绝对值超过100mA；

（2）相电流与故障电流反相；

（3）相电流随故障电流增加而增加。

以上三个条件同时满足时才能判定为故障电流，如图4所示。

图3 EL-CID试验接线

图4 故障电流波形与位置关系

2.3.2 示例分析

图5所示为某电厂发电机定子第174槽铁芯的试验波形，a曲线为故障电流波形，b为相电流。从图中可看出故障电流约-260mA，绝对值远大于100mA，满足判据1；相电流与故障电流相反，满足判据2；相电流随故障电流增加而增大，满足判据3。因此可以判定该定子存在铁芯短路情况。进行铁芯修复后，重新试验波形如图6所示。从图中可看出，故障电流不超过100mA，相电流虽然与故障电流反向，但不满足判据3，因此不存在短路情况。

图5 某定子第174槽故障电流波形图

图6 第174槽修复后试验波形

2.4 1750MW发电机铁芯试验应用

2014年8月，1号发电机进行ELCID试验，定子铁芯直线段最大q轴电流为-69mA，励侧端部阶梯状铁芯最大q轴电流为74mA，汽侧励侧端部阶梯状铁芯最大q轴电流为61mA，试验结果满足要求。对比出厂前进行的试验，未发现明显偏差。如图7为摘取定子铁芯直线段85-96槽波形图。

如前文所述，1750MW发电机容量大，定子膛内径2.27m，在试验前项目组找来身高约185cm的人员加入试验组，但在实际测试过程中，特别是进行定子上部铁芯试验时，由于长时间仰头操作TROLLEY手持小车，试验进展比较缓慢，人员也相对疲劳，最终完成1号机所有铁芯试验耗时约2天。

根据1750MW发电机的维修策略，分A、B、C三个等级检修，A、B级仅进行局部检修，C级检修为抽转子大修，时间周期为6C（10年），工期约30天。在如此紧凑工期内，仅1项定子试验就占据2天工期，不满足机组大修排期要求。为此项目组联系IRIS公司，采购一套自动小车（RIV）用于定子铁芯ELCID试验。

图7 第85-96槽q轴电流曲线

3 RIV自动小车试验方法

3.1 自动小车简介

RIV自动小车装置由控制单元和远程控制检测小车组成。远程检测小车由两个牵引驱动单元组成，通过可锁定的滑杆连接两个驱动单元以调整跨度。每个牵引驱动单元除了履带之外，还有两排内置的永久性磁铁。每个驱动单元都有单独的电动机和齿轮箱。远程检测小车有内置的系统引导它沿铁齿行进。导向系统使用定位于四角的磁性传感器探测铁齿的边缘，如图8和图9所示。

图8 控制单元

图9 自动小车及测试探头

3.2 RIV自动小车的应用

为研究RIV自动小车进行定子铁芯试验时的可靠性，项目组与IRIS专家进行技术交流，讨论自动小车可靠性及使用方法。针对国内核电机组尚无使用经验，联合厂家人员在某核电2号机上进行测试，测试结果表明，RIV自动小车内置的永磁铁可以牢固地吸附在定子铁芯上；RIV自动小车在行进过程中如发生位置偏移，内置的导向系统可以自动修复行进方向，保持直线行走。

2015年7月，2号发电机使用RIV自动小车装置进行定子铁芯EL CID试验。定子铁芯直线段最大q轴电流为35mA，励侧端部阶梯状铁芯最大q轴电流为－53mA，汽侧端部阶梯状铁芯最大q轴电流为－29mA。摘取1-8槽铁芯波形图如图10所示。

为分析试验RIV自动小车与TROLLEY手持小车两种方式对测试结果的影响，摘取1-15槽铁芯试验数据进行对比，见表1，剩余81槽结果差异大致相同。

表1 1-15槽铁芯试验数据

从表1可看出，相同铁芯槽号中，使用RIV自动小车测试得出的最大q轴电流均小于出厂时使用TROLLEY手动小车的测量数据。由此可证明，使用自动小车时，Chattock感应探头所采集的信号比手动扫描时更加平稳、连续，人为干扰因素较少。通过分析试验波形表明，使用自动小车时波形尖峰和毛刺较少。因此，使用RIV自动小车进行试验，测试结果更加可靠，更能反映定子铁芯的真实状况。

图10 第1-8槽q轴电流曲线

3.3 问题分析及解决

3.3.1 自动小车行进中会自动停止

使用自动小车进行试验，当使用“AUTO”自动模式时，自动小车每次正向（NDE-DE）行走4m均自动停止，然后通过人工复位“FORWARD”键才会继续前进。

为分析该现象产生的原因，项目组分别将RIV自动小车在不同表面（铁芯和桌面等）进行测试，使用“AUTO”模式时，自动小车行进一段距离后均自动停止，但各种表面自动停止距离不同。经讨论分析认为，此种现象为RIV在自动模式下设置最大距离。为避免自动小车行程编码器采集的位置信息随行进距离增加导致偏差增大，因此设计上在行驶一段距离后必须重新复位。同时自动小车在不同铁芯表面运动，由于摩擦力不同，因此停止距离不同。结合1750MW发电机特点及现场试验表明，直接用 “FORWARD”向前或“REVERSE”向后行驶，避免此问题。

3.3.2 小车偏航问题研究与解决

自动小车在左侧（励端向汽端看）“REVERSE”行驶（DN向NDE行驶）时，小车均会向下偏，需要试验人员手动纠正小车位置，而其余位置均能保证直线行走。

经反复试验及测试分析，认为小车一侧偏航，是由于两侧驱动皮带转速不相同引起的，可调控制单元“GUIDANCE BALANCE”两侧驱动传感器中的微调按钮。

另外，为保小车的正常行驶，可采取如下措施：

将距离显示重置为零。将远程检测小车在铁心上行进大约1m，检查控制单元上显示的距离与实际行进距离是否相符合。将远程检测小车反向行进到起始位置并确定其距离显示回零。在正向和反向行进的过程中，确保小车两端都可以轻触铁心表面，否则需调整远程检测小车的宽度。

在遇到槽楔与定子铁心内表面不在同一平面的时候，可以选择机械导轨片来改善远程检测小车在光滑表面的导向。

不同机组由于定子内径曲度可能不一致时，自动小车每半边都可以单独进行调整以补偿不同直径的铁心的曲度。同时也可以使用弯曲横杆来降低由于大跨度导致的额外高度。

4 结论

本文分别探讨了三种定子铁芯试验方案上的应用，得出如下结论：

（1）铁损试验

使用传统的铁损试验方法，能反映出定子铁芯在额定工况下的温升值，以及定子铁芯的实际状况，适用于制造厂等具备试验条件的定子铁芯检查。而在电厂检修时，由于需要足够大容量的试验电源和调压器，现场往往无满足要求的试验设备和电源，因此不具备现场试验条件。

（2）使用手持式小车进行ELCID试验

使用手持式小车进行ELCID试验，测试结果受试验人员操作影响较大，推进速度的快慢影响数据信号的采集，容易造成信息采集的遗漏，导致数据失真。结合1750MW发电机定子内径大，定子长度长结构特点，使用手持式自动小车进行试验，不满足大修工期计划要求。

（3）使用RIV自动小车进行ELCID试验

从前述分析可得，使用RIV自动小车进行ELCID试验，不仅极大地提高了工作效率，节省了检修工期，还克服了由于人工操作的不稳定造成的数据采集遗漏和偏差等问题，提高了试验数据的真实性和可靠性。

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The Discussion and Application Analysis of 1750MW Generator Stator Core Test

LIN Jiao, ZHANG Feng, SUN Yanxu

( Taishan Nuclear Power Joint Venture Co., Ltd., Taishan 529200, China )

This paper discussed a traditional iron loss test, the use TROLLEY and RIV on ELCID test, and analyzed which test is suitable for 1750MW generator stator core. An optimal test method for 1750MW generator is proposed according to unit 1 and unit 2 practical experience.

iron loss test; ELCID; TROLLEY; RIV

TM311

B

1000-3983(2017)02-0065-06

2016-06-21

林教（1986-），2009 年毕业于武汉大学电气工程与自动化专业，2010年起参与台山核电发电机设计采购管理、发电机驻厂监造、现场发电机安装，现从事发电机维修工作，工程师。

审稿人：富立新