水轮发电机增容改造鉴定试验

田 波

(辽宁省葠窝水库管理局有限责任公司，辽宁 辽阳 111000)

中小型老电站水轮发电机的增容改造，是充分挖掘潜力、开发水力资源、提高电站经济效益的有效途径，同时也是解决老机组安全问题的根本措施。水轮发电机增容改造时电站水头和发电机的转速不会改变，通常是更换转轮、定子绕组及定子铁心来实现。依据DL/T596- 1996《电力设备预防性试验规程》的试验项目和标准，核实发电机技术参数指标，鉴定水轮发电机改造后的增容效果是至关重要的。

葠窝发电厂3#水轮发电机通过更换高效率转轮(HL240-LJ- 140)、定子绕组(F级绝缘，且线圈端部采用R、T联接法)及定子铁心(W310硅钢片)，实现有功功率从3200kW增容至4000kW。3#水轮发电机增容改造前后技术参数见表1。

1 试验项目及试验结论

为鉴定水轮发电机改造后增容效果，依据DL/T596- 1996的规定进行试验，核实发电机技术参数指标。

1.1 定子铁心损耗试验

1.1.1 试验方法

试验采用380V励磁电压。在被试定子铁心上缠绕46圈，测量线圈为11匝。试验持续时间为90min，用便携式红外测温仪测量铁心各个部分温度，每隔10min纪录一次电压、电流、功率、频率和铁心温度。

表1 3#水轮发电机增容改造前后技术参数

1.1.2 试验数据

试验数据见表2。

表2 定子铁心损耗试验数据

3#发电机定子铁心轭部计算重量为2850kg。

最热齿温度t2为12.5℃，最冷齿温度t1为9℃，铁心初始温度t0为7.5℃，换算到1T时最高齿温差及铁心最高温升为：

最高齿温差Δt1

铁心最高温升Δt2

1.1.3 试验结论

(1)试验标准

单位铁心损耗ΔPFe≤1.3PFe10/50(1.755W/kg)。

在90min的试验中，铁心最高温升Δt2<25K(按1T折算)。

在90min的试验中，铁心最大温差Δt1<15K(按1T折算)。

(2)试验结果

单位铁心损耗1.34W/kg，铁心最高温升5.87K，铁心最大温差4.15K。铁心试验各项数据皆在标准范围内，铁心试验合格。

1.2 定子绕组槽电位检测

1.2.1 试验方法

对定子各相各支路绕组施加相电压，逐槽测量定子线棒防晕层表面与定子槽之间的电位差，测量表计采用高内阻电压表。共抽检21根线棒，每相抽检7根线棒，每根线棒测量上、中、下3个部位。

1.2.2 试验结果和结论

抽测的21根线棒的各点对地电位均小于0.5V。定子线棒槽电位一般都在10V以下，定子三相绕组经抽查试验，三相定子绕组槽电位均达到要求。槽电位试验结论合格。

1.3 定子绕组直流电阻测量

1.3.1 测量方法

使用QJ- 44型双臂电桥测量直流电阻；同时用温度计测量环境温度；试验分相、分支路进行。

1.3.2 试验结果

试验数据见表3，环境温度10.5℃。

表3 定子绕组直流电阻试验数据 单位：Ω

1.3.3 试验结论

试验标准：各相的直流电阻值，在校正了由于引线长度不同而引起的误差后，相互间的差别及与上次测量值比较，相互不得大于最小值的1%。

该机各相间差别最大相差0.22%，符合规程要求，试验结论合格。

1.4 发电机参数测试

1.4.1 试验方法

采用交流静测法，即试验时发电机处于静止状态，转子处于任意位置，并将转子绕组经滑环短接，依次对定子绕组AB、BC、CA端加单相交流电压(220V)，用MPIS-II型同步电机参数识别器测量发电机稳态及暂态参数。试验接线如图1所示。

G：发电机；M：MPIS-Ⅱ型同步电机参数识别器；K：自动空气开关；AT：自耦调压器；TA：电流互感器0.5级，100A/5A；A：电流表0.5级，0～5A；V1：交流电压表0.5级，0～300V；V2：交流电压表0.5级，0～150V图1 发电机参数试验接线图

1.4.2 试验结果

试验数据见表4。

表4 发电机参数测试数据

1.5 发电机空载特性试验

水轮发电机试验最高电压应为定子额定电压的150%，但均不应超过额定励磁电流。故空载试验最高电压为1.5×6.3=9.45kV，并同时满足If

1.5.1 试验步骤

(1)将发电机出口刀闸拉开，开启机组到额定转速并保持不变。

(2)调节励磁电流升高定子电压，每隔1～1.5kV记录一次定子三相电压UAB、UBC、UCA及励磁电流If，直至最高电压。而后减少励磁电流，做下降特性，最后记录励磁电流为零时的剩磁电压。

(3)试验时必须注意励磁电流只能单一方向进行增减。

1.5.2 试验结果和结论

试验数据见表5，空载曲线如图2所示。定子残压约为120V。

由空载特性曲线可得出：当U0=UN时，If0=162A。根据空载试验数据和试验曲线可见：发电机定子三电压对称性很好。

表5 空载试验数据

图2 空载特性曲线

1.6 发电机三相稳定短路特性试验

最大试验电流为1.2IN=0.517kA。

1.6.1 试验步骤

(1)拉开发电机出口刀闸。

(2)在靠近定子出线端，用不小于定子出线截面的铜排或铝排将三相短接。

(3)将发电机起机后升至额定转速，增加励磁电流，每隔额定定子电流的10%～15%直至0.517kA，记录定子三相电流IA、IB、IC及励磁电流If，然后减少励磁电流至0。

1.6.2 试验结果

试验数据见表6，短路曲线如图3所示。

由短路特性曲线可得出：当Ik=IN时，Ifk=176A。短路比：Kc=If0/Ifk=162/176=0.920。

表6 短路试验数据

图3 短路特性曲线

1.6.3 试验结论

根据三相稳定短路试验数据和试验曲线可见：发电机定子三相电流对称性很好，短路比Kc=0.920，在规定允许的范围内。

1.7 发电机空载电压波形畸变率测定

1.7.1 试验方法

发电机起机后作空载试验过程中，将其调节至额定转速(300r/min)、额定电压(6.3kV)，并保持稳定。用NOWA- 1型谐波分析仪测量发电机出口TV二次电压基波和各次谐波电压的数值，即U1、U2、U3……Un，然后用下式计算畸变率，试验结果见表7。

式中，Ku—波形正弦畸变率，%；U1—基波电压有效值，V；Un—n次谐波电压有效值，V。

表7 发电机电压波形正弦畸变率测试数据

1.7.2 试验结论

电压波形正弦畸变率为0.52%。波形正弦畸变率合格。

1.8 发电机满出力温升试验

1.8.1 试验方法

采用直接负荷法分3个负荷点，由低到高负荷进行温升试验。各负荷点见表8。

表8 温升试验负荷点

发电机的温升试验接线如图4所示。用LB- 5型发电机监测记录仪测录发电机有功功率P、无功功率Q、三相定子电压Us、三相定子电流Is、功率因数cosφ、励磁电流If。

发电机定子各部温度、冷/热风温度由3#机组现地上位机“实时温度测量数据”表读取。转子绕组温度测量采用电压电流法。为消除电刷压降的影响，转子电压以专用铜网刷直接由转子滑环进行测量。

图4 发电机温升试验接线图

1.8.2 试验数据及曲线

发电机转子绕组冷态电阻：t=13℃，Rf=0.244Ω。

试验数据见表9，试验曲线如图5、6所示。

表9 温升试验数据

从温升曲线可见，对应于Is=431.2A、If=339.5A时的各部分温升为：定子绕组温升54.12K；定子铁心温升33.94K；转子绕组温升51.29K。

图5 定子温升曲线

图6 转子温升曲线

1.8.3 试验结论

从试验曲线可见，增容改造后在P=4MW，Q=2.48Mvar，cosφ=0.85，Us=6.3kV，Is=431.2A，If=339.5A时，定子绕组温升为54.12K，定子铁心温升为33.94K，转子绕组温升为51.29K，均低于对应部分的允许温升限值(90、80、75K)。

1.9 鉴定试验结论

综上所述，3#水轮发电机增容改造后，可以按P=4MW，cosφ=0.85长期运行，此次发电机增容改造是成功的。由于增容后发电机X″d(直轴超瞬变电抗)增大，突然短路时定子电流过流倍数降低，需校核和整定继电保护的动作电流值。

2 结语

水轮发电机增容改造后的试验项目以及标准依据DL/T596- 1996的规定进行。通过定子铁心损耗试验、定子绕组槽电位检测、定子绕组直流电阻测量、发电机参数试验、发电机空载试验、发电机短路试验、发电机空载电压波形畸变率测定、发电机满出力温升试验，核实发电机增容改造后的技术参数指标，根据试验结果提出安全运行建议，保证增容改造达到预期目标。

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