大型发电机定子铁芯磁化试验

付朝霞

（北京十三陵蓄能电厂，北京市 102200）

大型发电机定子铁芯磁化试验

付朝霞

（北京十三陵蓄能电厂，北京市 102200）

发电机在交接时或运行中，对铁芯绝缘有怀疑时，或铁芯重新组装或更换、修理硅钢片后，需要进行定子铁芯的磁化试验，以测定铁芯单位质量的损耗，铁芯轭部、齿部等各部温升是否超过规定值，从而综合判断铁芯片间的绝缘是否良好，判断铁芯的材料是否符合标准要求及铁芯的组装叠片质量是否合格。

本文以某抽蓄机组立式发电电动机定子铁芯现场叠片后进行的铁芯磁化试验为例，介绍铁芯磁化试验的整个过程，试验数据的分析及试验注意事项。

发电机；定子铁芯；磁化试验

0 引言

发电机定子铁芯是由硅钢片叠装而成，由于制造过程中可能存在的质量不良或在运行中由于热和机械力的作用，可能引起片间绝缘损坏造成短路，在短路区域形成局部过热，威胁机组的安全运行。所以发电机在交接时或运行中，铁芯重新组装或更换、修理硅钢片后，或对铁芯绝缘有怀疑时，需要进行定子铁芯的磁化试验，以测定铁芯单位质量的损耗，铁芯轭部、齿部等各部温升是否超过规定值，从而综合判断铁芯片间的绝缘是否良好，判断铁芯的材料是否符合标准要求及铁芯的组装叠片质量是否合格。

本文以某抽蓄机组立式发电电动机定子铁芯现场叠片后进行的铁芯磁化试验为例，介绍铁芯磁化试验的整个过程，试验数据的分析及试验注意事项。

1 发电机参数

发电机参数见表1。

表1 发电机参数Tab.1 Generator Parameters

2 试验接线及相关参数计算

2.1 试验接线原理图

定子铁芯磁化试验的基本原理，是利用专门缠绕的励磁线圈，通以工频交流电，使之在铁芯内部造成交变磁通（铁芯接近饱和状态），从而在铁芯内部产生损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗，使铁芯中绝缘劣化的部分产生较大的涡流，温度很快升高，用温度计检测各部位的温升，并计算出铁芯的单位铁损，根据测量结果与标准要求比较，来判断定子铁芯的制造、安装质量。定子铁芯磁化试验接线如图1所示。

图1 定子铁芯磁化试验接线Fig. 1 Wiring Diagram of stator core Magnetization Test

2.2 试验参数计算

2.2.1 励磁线圈匝数

式中U2——励磁线圈电源电压；

f——试验电源频率，Hz；

B——试验时铁芯轭部磁通密度，T；

S——定子铁芯轭部截面，m2。

由于该试验所需要的电源容量很大，在试验过程中，通常会直接取电厂厂用电作为试验电压，比如可用10kV电压作为励磁线圈电压，即U2=10000（V）。

B的取值，一种可遵循规程规定：透平型同步发电机取1.4T，水轮发电机取1.0T，磁密为1T下持续时间为90min，磁密为1.4T下持续时间为45min；另一种如果厂家有自行规定，在规程范围内，可按照厂家规定进行。本文中遵照厂家的规定，B取1.2T，磁化试验持续时间为30min。

定子铁芯轭部截面S的计算：

式中L——定子铁芯有效长度，m；

h——定子铁芯轭部高度，m；

K——定子铁芯填充系数，当硅钢片厚度为0.35mm时，K取值范围为0.91～0.93，当硅钢片厚度为0.50mm时，K取值范围一般为0.93～0.95；

L1——定子铁芯总长，m；

n——定子铁芯通风槽数；

b——定子铁芯通风槽宽，m；

D1——定子铁芯外径，m；

D2——定子铁芯内径，m；

hc——定子铁芯齿高，m。

计算定子铁芯轭部截面S=0.738891（m2）；计算励磁线圈匝数Nr≈50.8（匝）；当励磁线圈匝数较多时，考虑线圈本身的电压降落，为保持1.2T的磁密，通常Nr比计算值减少1～2匝。本文取Nr=48匝。

2.2.2 励磁电流

式中Dav——定子铁轭的平均直径，m；

H0——单位长度安匝数，磁密在1T时，取（2.15～2.3）×102安匝/m，磁密在1.2T时，取值为（2.0～2.7）×102安匝/m，本文取2.5×102安匝/m。

Dav=D1-h=5380-348=5032（mm）=5.032（m）；

计算I=82.3（A）；

励磁线圈导线截面按每平方毫米（铜芯）不大于3A的电流密度选择，本文电流密度β取2A/mm2。

计算励磁电缆截面积sL=I/β=41.15mm2

本文励磁电缆选用10kV无屏蔽交联电力电缆，根据励磁电流的大小，并留有一定裕度，选择单芯70mm2规格的电缆。

2.2.3 电源容量

试验电源容量S（视在功率）计算

式中：KS一般取1.1，或根据实际需要确定。

本文中计算电源容量S=1.1×10000×82.3×10-3=905.3（kVA）；

2.2.4 测量线圈

当磁通密度B=1.2T时，测量线圈的感应电压为

式中：Nm为测量线圈的匝数，取1匝。

计算U2=196.84V，所以，测量线圈采用单匝2.5mm2多芯铜导线，选用300V的电压表测量。

2.3 试验设备的保护设置

试验中需要两相供电，本文中的试验电源取自电厂220kV厂用变压器，通过其低压侧10kV备用馈线开关3G-9送至试验现地10kV开关，通过试验励磁电缆接至试验现地10kV开关的A、C相。试验设备保护设置既能满足要求，还应能躲开合闸时刻的励磁涌流。

厂用高压变压器的主要参数：额定电压为230×（+1/+17×1.25%）/10.5kV，额定容量为25000kVA，额定电流为62.8/1374.6A，联结组别YNd11。厂用高压变压器的保护设置不变，其CT变比为1500/5A，保护定值为：差动0.2A/0s，过流Ⅰ段1.18A/0.7s，过流Ⅱ段1.18A/1.2s，过负荷0.81A/1.7s。

3G-9开关的参数：额定电流630A，额定电压12kV，额定短路开断电流25kA，额定动稳定电流63kA，CT变比为100/5A。3G-9开关的原保护设置为：过流1.60A（一次值160A）/1.2s，速断9.2A（一次值920A）/0.04s，为配合试验需要，将过流的保护定值时间更改为0.7s，其他定值保持不变。修改完成后，校验保护装置正确动作。

该段母线另有一保护，即3G母线三相电压不平衡，3U0达到定值（10V）后跳3G-9开关，由于试验中只在A、C两相接线，且带纯感性负载，会引起三相电压不平衡，因此将3U0定值调至15V，防止在试验过程中跳闸，使试验中断。

试验现地10kV开关CT变比300/5A，保护定值设置为：速断15A（一次值900A）/0s，过负荷2.5A（一次值150A）/0.5s。

3 主要设备、材料及工具

主要设备、材料及工具见表2。

4 准备工作

4.1 定子铁芯清扫检查

试验前，对定子各部位进行彻底的清扫，全面检查机座和铁芯，检查通风沟、上下端部位置、各环板间无残留金属物件和其他杂物。将定子机座与基础支墩再次紧固，并用不小于300mm2铜芯线接地线使定子机座可靠接地。同时，铁芯测温电阻RTD也必须短接接地。

表2 主要设备、材料及工具Tab.2 Materials and Tools list for Testing

4.2 试验设备准备

检查试验现地10kV开关柜断路器操作回路，设定定值并进行定值校验，校验开关柜保护装置动作正确，保护装置整定值及延时时间应小于上级10kV馈线柜保护整定值。10kV电源电缆和励磁电缆做耐压试验。

4.3 线圈缠绕

由于发电机定子直径较大，为降低由于磁密不均所引起的误差，励磁线圈采用1个支路均匀缠绕分布，选用70mm2铜芯交联电力电缆，励磁线圈紧贴在铁芯齿表面（不入槽），电缆与铁芯接触处均垫以5mm厚的胶皮保护，缠绕励磁线圈48匝。

测量线圈一匝，用2.5mm2的多芯铜线缠绕在铁芯适当位置紧贴在槽底。

5 试验程序

（1）检查完成后，在确认上级主回路开关断开的情况下，现地开关作分合闸操作试验，分合闸应正确可靠。

（2）试验指挥发令，试验人员就位，记录各测温点原始温度。注意：首次通电后要根据读数校核磁化时磁通密度在1.2T左右，如偏差过大要调整励磁线圈匝数。

（3）合上断路器3～6min后断开，全面检查铁芯各部位有否过热现象，如发现冒烟、局部过热、发红、冒火花（应关灯检查），应立即跳闸停止试验，查明原因；若各部分无异常，即正式开始试验（对个别温度较高处加设测温点）。

（4）铁损试验过程持续30min，本文的定子铁芯为现场新叠片完成，所以整个试验过程持续8h，试验合闸后前30min为铁损试验，检查铁芯有无片间绝缘，测量铁芯温升、温差及损耗，后面持续进行的试验目的主要是利用电磁振动，使铁芯充分振动，检查铁芯叠片的压紧力是否合格，试验完成后需再次对铁芯进行压紧及测量，保证铁芯的压紧力符合设计要求。

6 安全注意事项

（1）因本试验负荷大，且两相供电，故不得有与之相关的其他工作面作业。

（2）多余励磁和供电电缆用无磁绕法缠绕，以免形成过大压降。

（3）试验人员不能带铁磁物质进入定子内，并关闭手机或其他可能因强磁场损坏的设备。试验中检查定子膛内各部温度时，应穿绝缘鞋，不能双手同时直接触摸铁芯，以防触电。定子膛内不得存放金属物件。

（4）严禁使用水银温度计测量。

（5）铁芯内部所有RTD测温电阻可靠接地、检测穿芯螺杆绝缘电阻符合要求。发电机座一点可靠接地。

（6）试验过程中若发现铁芯任何一处温度超过规定值，或个别地方发热厉害、冒烟或发红，应立即停止试验。同时应监视铁芯振动及噪声等情况，有异常同样应立即停止试验。

（7）现场配备一定数量干粉灭火器，以防发生意外。

（8）试验现场用警示条围起来，悬挂警示标志，由专职安全员监守，非工作人员严禁入内。

（9）励磁电缆及供电电缆与定子铁芯、定子绕组及机座凸棱处应垫有足够强度的绝缘材料。

（10）试验中测量仪器仪表的准确度不低于0.5级，测量用仪用互感器的准确度不低于0.2级。功率表选用低功率因数瓦特表。

7 试验结果分析

7.1 质量标准

按照国标GB/T 20835—2007《发电机定子铁芯磁化试验导则》中的标准，在规定的磁通密度下，试验经过规定时间后，水轮发电机铁芯最大温升限值小于或等于25K，铁芯相同部位温差限值小于或等于15K。铁芯比损耗值不得大于所用硅钢片的标准比损耗的1.3倍。

本文设备的厂家标准要求在接近额定感应状态下励磁30min后，测得的热点温差不超过5K。8h的试验过程中，定子铁芯温度不得超过90℃（铁芯与机座的温差不超过60℃），若超过90℃，需要停止试验，待温度下降后，再继续进行试验。

7.2 试验测量数据

试验测量数据见表3。

表3 试验测量数据Tab.3 Test Measurement Data

7.3 试验结果

根据试验测量数据，初步计算的试验结果（根据第一组测量数据计算）：

试验时的磁密B'=U2/4.44fSW2=210.28/4.44×50×0.74×1=1.28（T）；

1T时定子有效铁芯单位铁损：

其中，G为定子铁芯轭部质量（kg），7.8×103为铁芯密度（kg/m3）；Pfe为实测总损耗，为180.64kW。计算结果为ΔP=1.21W/kg。

按照厂家标准，实测单位铁损应不大于标准铁损（1.05W/kg）的1.3倍，即不大于1.365W/kg。

铁芯最高温升为。

式中t——最高铁芯温度，K；

t0——铁芯初温，K。

计算最高温升小于25K。根据表3，铁芯相同部位温差小于15K。试验合格。

8 结束语

本文通过试例介绍了铁芯现场叠片后进行磁化试验的过程，包括试验的整个计算过程，希望能对同行提供帮助。

[1] 李建明，朱康.高压电气设备试验方法（第二版）.北京：中国电力出版社，2001.LI Jianming，ZHU Kang. Test methods for high - voltage electrical equipment （Second Edition）. Beijing: China Eeletric Power Press，2001.

[2] GB/T 20835—2016，发电机定子铁芯磁化试验导则.GB/T 20835—2016，Guideline for magnetization test of generator stator core.

[3] 吴立忠. 定子铁芯磁化试验，水电站机电技术，1989（4）：26-28.WU Lizhong. Generator stator core magnetization test. Electromechanical Technology of Hydropower Station，1989（4）： 26-28.

[4] 颜昌明.水电站定子铁芯磁化试验简析.科技与企业，2012（17）：300-302.YAN Changming. Analysis of stator magnetization test of hydropower station. Technology and Enterprise，2012（17）： 300-302.

[5] 李彪. 发电机的定子铁芯磁化试验.数字通信世界，2015（10）.LI Biao. Generator stator core magnetization test. Digital Communications World，2015（10）.

2016-06-15

2017-05-10

付朝霞（1980—），女，工程师，主要研究方向：电力系统及其自动化。E-mail：sunnyfzx@sina.com

Magnetizing Test for Stator Core of Large Generator

FU Zhaoxia
（Beijing Shisanling Power Station，Beijing 102200，China）

When the generator stator core has insulation problems，need to do core magnetization test to check the Insulation between the laminations is good or not. In this paper， the core magnetization test of a pumped storage power generation units vertical motor stator core laminations after scene as an example， introduce the whole process of core magnetization test and how to analyze the test data.

Generator；Stator core；Magnetic examination

TM31

A学科代码：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.019