清远抽水蓄能电站#1机定子铁芯磁化试验浅析

李华+陈泓宇

摘 要：大型抽水蓄能发电电动机的定子铁芯在现场组装完成后，为检查定子铁芯制造和现场安装的整体质量，必须对定子铁芯进行磁化试验。本文结合清远抽水蓄能电站#1机定子铁芯磁化试验，介绍了磁化试验目的、试验原理、试验方法、试验结果。并对影响试验的结果的因素进行了分析，供同类抽水蓄能电站定子铁芯磁化试验参考。

关键词：清远抽水蓄能电站；定子铁芯；磁化试验；温升；温差；单位铁损值

1 概述

清远抽水蓄能电站（以下简称清蓄能电站）地下厂房内共安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机机组，单机容量（发电工况）320MW，总装机容量1280MW。

发电电动机定子由机座、铁芯和线圈等部件组成，在安装间完成组装后通过厂房桥机吊入发电机机坑安装。铁芯采用35A250低损耗、高导磁率、非晶粒取向、无时效、机械性能优质的冷轧硅钢片。冲片双面涂有F级绝缘漆（厚约5～7μm）。铁芯上下端采用非磁性齿压板结构，上下两端各叠成3个8×4.9的台阶，定子铁芯沿轴向分布共78层5mm高的丄字型截面无磁性不锈钢通风沟，铁芯用双鸽尾筋与定子机座联接，并通过上下齿压板压紧紧固。

2 磁化试验

2.1 磁化试验目的

大容量抽水蓄能发电机组由于运输尺寸、重量等方面的因素限制，发电电动机定子机座通常采用分瓣制造运输，在安装现场进行组装焊接、冲片叠压、定子下线等工作。铁芯磁化试验是在定子铁芯叠片压紧完成后进行，其目的就是确认定子铁芯硅钢片设计制造、现场叠片、压紧情况和单位功率损耗等整体质量，检查铁片间是否有短路情况，绝缘是否良好。发电机定子铁芯在硅钢片的制造或现场叠装过程中，可能存在片间绝缘损坏，从而造成片间短路或多片间形成回路。为了防止机组运行中因片间短路引起局部过热，甚至威胁到机组的安全运行，在现场定子铁芯组装完成后，必须进行铁芯磁化试验。同时，根据定子铁芯的组装工艺，铁芯磁化试验还能通过振动和发热使铁芯下沉，达到仅由加压所不能达到的进一步压紧铁芯的目的。

2.2 试验原理及基本方法

在发电电动机定子铁芯上缠绕励磁绕组，绕组中通入一定的工频电流，使之在铁芯内部产生接近饱和状态的交变磁通，通常取激磁磁感应强度为1-1.2T，铁芯在交变磁通中产生涡流和磁滞损耗，使铁芯发热，温度很快升高。同时，使那些铁芯中片间绝缘受损或劣化部分产生较大的局部涡流，温度急剧上升，从而找出过热点及过热面。试验中用酒精温度计测量定子铁芯、上下齿压板及定子机座的温度，计算出温升和温差；用红外线测温枪、红外线摄像仪查找定子铁芯局部过热点及过热面；在铁芯上缠绕测量绕组，测量其感应电压，计算出铁芯中不同时刻的磁感应强度，并根据发电机固有参数，结合测得的励磁电流、电压计算出铁芯的有功损耗。把测量、计算结果与设计要求相比较，来判断定子铁芯的制造、安装整体质量。

2.3 发电电动机参数

型号：SFD320/331-14/6570；额定容量：356MVA；功率因数：0.9滞后（发电机工况）；额定电压：15.75kV；额定电流：13050A；额定转速：428.6r/min；定子铁芯槽数：336槽；定子鐵芯外径：D外=657cm；定子铁芯内径：D内=530cm；定子铁芯长度：L=332cm；定子铁芯槽深：h=17.9cm；铁芯通风沟层数：n=78；铁芯通风沟高度：b=5mm；定子冲片厚度：0.35mm；定子冲片标准损耗：≤1.0（W/kg）（1特斯拉时）；铁芯比重ρ：7.6t/m3。

2.4 试验准备计算

（1）励磁线圈安匝数计算Aω

Aω=π（D外-ha）·H=3342（安匝）

式中：D外-铁芯外径（cm）=657cm；ha-轭部宽度（cm）；H-单位长度安匝数，磁通在1特斯拉时，取值为1.74（安匝/厘米）。ha=（D外-D内）/2-h；D内-铁芯内径（cm）；h-定子铁芯槽深（cm）；ha=（D外-D内）/2-h=45.6 （cm）。

（2）计算励磁绕组匝数ω1

K-定子铁芯叠压系数，片间用绝缘漆和压紧计算，取0.98。

轭部的有效截面积S=K·（L-n·b）·ha≈13093.584（cm2）；ω1-励磁绕组匝数；б-考虑漏磁及线路压降后的系数取1.1；U1-励磁电源电压，选10000（V）；试验时铁芯扼部磁通密度B=1T，频率f=50（Hz）；励磁绕组匝数ω1=U1/（e·б）=10000/（4.44fBS·б）≈32（匝）。

（3）计算励磁绕组电流I1和励磁绕组电缆截面积SL（全电流）

I1=Aω/ω1=3342.175/32≈122.8（A）；流量系数β取3.0A/mm2；励磁电缆截面积SL=I1/β=122.8÷3.0≈41mm2；考虑到安全裕量及缠绕难度，励磁电缆采用10kV单芯70mm2无屏蔽交联电力电缆。

（4）需要的视在功率

S视=U1I/1000=1228（kVA）；三相供电系统容量应为×1228≈2126.9（kVA）。

（5）磁通密度测量

当定子轭部磁通密度为B=1T时，单匝测量线圈之感应电势为E2=4.44BSfω2≈290.7V；采用单匝测量线圈，400V电压表测量。

（6）实际磁通密度：B=U2/（4.44Sfω2）（T）；U2-测量线圈端电压（伏）；ω2-测量线圈匝数（匝）；S-有效铁芯轭部的截面积（m2）。

2.5 试验参数计算

试验结束后，将试验数据换算到1T时，温升、温差和单位铁损是否合格，进而判断定子铁芯的制造、安装整体质量。

（1）试验时磁通密度的实际值

B'=U2/4.44f'SW2（单位：T）

U2-测量线圈感应电压值（伏） W2-测量线圈匝数（匝） f'-实测频率

B'-试验时磁通密度（T）

（2）铁芯重量

G=πDavS×ρ×103=191138.6（kg）

Dav-铁芯平均直径（单位：米）

（3）1T时定子有效铁芯单位铁损

ΔP=（Pfe/G）×（1/B'）2（W/kg）

Pfe-实测总损耗（单位W）；按照国家标准，实测单位铁损应不大于1.3W/kg。

（4）铁芯最高温升

Δt1=（t3-t0）×（1/B'）2 （℃）

t3-最高铁芯温度，t0-铁芯起始温度；按标准规定，Δt1不得大于25℃。

（5）铁芯最高温差

Δt2=（t1-t2）×（1/B'）2 （℃）

t1-90分钟时最高铁芯温度，t2-90分钟时最低铁芯温度；按标准规定， Δt2不得大于15℃。

3 磁化试验过程

3.1 准备工作

定子磁化试验在定子防尘棚内进行，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它杂物，定子槽内不得有定位棒、通槽棒等工具遗留。将定子机座与基础支墩再次紧固，并用不小于185mm2铜心接地线使定子机座可靠接地。同时，铁芯测温RTD也必须短接接地。

检查10kV开关柜断路器操作回路，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在使用前需做耐压试验，检查励磁线圈电缆绝缘电阻不小于100MΩ、测量绕组电缆绝缘电阻不小于10MΩ。

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铜心交联电力电缆，励磁线圈紧贴在铁芯齿表面（不入槽），缠绕励磁线圈32匝。测量线圈一匝，用2.5mm2的多心铜线缠绕在铁芯适当位置紧贴在槽底，铁芯棱角处垫约12mm厚的胶皮或木方保护。测温点按上（第2层）、中（第38层、）、下（第78层）3层（共计72个测温点）及上下齿压板测温点均匀布置在定子铁芯上，（如图1所示），紧贴铁芯，用红外测温仪进行测温。辅之以红外线成像仪巡测铁芯四周各个部位温度，但不作记录。

对10kV电源电缆和励磁软电缆做交流耐压试验。

3.2试验接线图

试验仪器及试验接线见图2。

V1、V2-电压表；f-频率表；CT-电流互感器；W-低功率瓦特表；A-电流表；K-断路器；W1-励磁线圈；W2-测量线圈；PT-电压互感器

3.3 试验过程

（1）检查完成后，在确认主回路断开（安装间供电开关柜）的情况下，作分合闸操作试验，分合闸应正确可靠。

（2）试验总指挥发令，试验人员就位，记录各测温点原始温度。注意：首次通电后根据读数校核磁化时磁通密度要大于1T，如偏差过大要调整励磁线圈匝数。

（3）合上断路器1～2min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（定子棚内关灯检查），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）用红外线测温仪测量各标识点的温度并记录；并用红外线测温仪循环扫描定子铁芯，随时监测各部位温度，用红外线摄像仪定时录制热成相照片，找出高温区进行重点监测。

（4）每隔15min记录一次铁芯各部分温度及表计读数，如发现局部温度过高，应报告试验指挥人，并重点监视其温度。

（5）整个磁化试验历时90分钟。

3.4 安全注意事项

在安装间的试验区域设立警戒线，警戒线范围内的试验区域全封闭管理，控制进入#1机定子试验区域的人数。在#1机定子棚四周、试验区域上空通风洞口、安装间设置足够数量且符合使用要求的干粉灭火器。试验前，将厂房桥机移出试验区域。

4 试验记录及结果分析

4.1 试验记录（见表1）

4.2 结果分析

计算励磁电流为122.8A，试验最小励磁电流为130A，为计算值的1.05倍；最大励磁电流为131.69A，为计算值的1.07倍，在正常范围内；试验前空载电压为10000V，试验中最高励磁电压为10110V，最低励磁电压为9990V；试验中最大磁通密度为1.08T，最小磁通密度为1.07T，满足厂家铁损试验技术要求；铁芯初始平均温度22℃，铁芯90min时最低温度22℃，机座90min时最低温度22℃，铁芯90min时最高温度28.9℃，机座90min时最高温度28℃，噪声测量最大值为105dB，波动不大，振动正常。铁损试验3个主要指标：单位铁损实测值1.186W/kg小于标准值1.3W/kg；最大铁芯温升实测值6.9℃小于标准值25℃；最大铁芯温差实测值6.9℃小于标准值15℃。试验过程中和试验结束后检查定子各焊缝、机座、压紧螺杆、铁片均无异常。清蓄电站#1机组定子铁芯磁化试验顺利完成，定子铁芯磁化试验结果符合设计计算值，各部位测点温升及温差都正常，试验过程中无异常现象。

结束语

依据上述定子磁化试验方案，清蓄电站#1机定子铁芯磁化试验顺利完成，铁芯温升、温差及单位铁损均满足国家标准和合同要求。为下一步定子下线提供了强有力保证。同时，还需要继续研究试验电源电压的小波动对磁化试验的影响，为后续机组及类似电站定子铁芯磁化试验提供更多經验。

参考文献

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[2]陈晨.仙游抽水蓄能电站发电机定子铁心磁化试验综述[J].机电信息，2012，36）：134-135.

[3]杨晓玲、李有春、李尹光.锦屏水电站发电机定子铁心磁化试验[J].水电与新能源，2013，6）：38-41.

作者简介：李华（1982-），男，工程师，主要从事抽水蓄能电站机电项目基建工作。