杜大禹,林 峰,袁文俊,王 超
(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司,江苏溧阳213334)
溧阳抽水蓄能电站发电电动机组由哈尔滨电机厂有限责任公司制造,额定转速300 r/min,额定电压15.75 kV,为立轴、半伞式、三相、凸极、可逆式同步发电电动机。首台发电电动机(6号机)设备安装及调试工程2015年1月正式开工,定子在安装场进行机座组圆、合缝焊接、铁心叠装等工作,于2015年4月20日顺利完成铁心磁化试验,6号机组于2017年1月9日并网发电。
大、中型水轮发电机组由于运输尺寸、质量等方面的因素限制,发电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、铁心堆积及定子下线等工作。
发电机定子铁心损耗分为磁滞损耗和涡流损耗两部分,其中磁滞损耗是导磁体反复磁化,其分子运动所消耗的能量,涡流损耗是铁心在交变磁场内产生的感应电流导致的损耗,二者均转化为热能使铁心温度升高。为了防止铁心过热,一方面需要采取散热降温措施,一方面需要降低铁心损耗。
溧阳电站定子铁心采用78根定位筋固定在机座上,铁心上下两端用齿压板牢固的夹住。定子铁心采用低损耗、高质量、高磁导率、无时效、厚为0.50 mm的优质冷轧硅钢片,每片冲片去毛刺并且两面涂F级绝缘漆以降低铁心损耗。定子铁心叠片交错叠制,采用多段分层压紧法,以形成一个整体、紧固的铁心。为了减少铁心的振动,增强铁心刚度采用端齿冲片连接技术;为保证铁心良好的叠装,采用具有优质高强度性能的穿心螺杆及防止松动的进口碟簧压紧,穿心螺杆共156根,采用套管绝缘,使其与铁心可靠地绝缘。定子铁心内径6 350 mm,高度2 550 mm,铁心在轴向方向分为61段及6 mm厚的通风槽片60段,铁心每层冲片26片,总数约为113 880片。
为防止发生铁心松动、振动(甚至共振)、噪声造成磨损绝缘、烧坏铁心等各种事故危害,威胁电机的可靠性和寿命,铁心在叠装到500、1 000、1 500、2 000 mm高度时各预压一次,并在铁损试验前后分别进行一次铁心压紧。
溧阳电站定子共有156根穿心螺杆,液压拉伸器泵组共有6个拉伸器,在每次压紧前将拉紧螺杆分6个等分区表,在每个等分区内按顺时针给每个螺杆孔编号1~26,做好固定标记。然后将液压拉伸器泵组按使用说明书连接好,6个拉伸器并联连接,按发电机厂家提供的顺序同步分多次逐步拉伸螺杆。铁心在叠装到500、1 000、1 500、2 000 mm高度及铁损试验前后的穿心螺杆拉伸次数分别为3、4、5、6、7次,每次拉伸的油压按发电机厂家要求进行。每次压紧铁心时,将铁心的上部槽样棒放入槽底。在用液压拉伸器之前应先用钩形扳手将螺母拧紧,拧紧顺序按螺杆同油压螺杆拉伸的顺序执行,每次螺母转拧不能超过1圈,全部把紧后进行第2圈把紧,直至钩形扳手拧不动为止。用液压拉伸泵组时,按螺杆同油压螺杆拉伸的顺序,每次拉伸拧紧螺母其旋转圈数不能超过2圈,分多次逐步拉伸螺母直到达到预压螺杆预紧力,当预压高度增加时应相应增加预压拧紧螺母的次数。预压完成后松开螺母的顺序与拉伸时的顺序相同,分多次逐步拧出螺母,每次拧出不能超过3圈。每次压紧后都要检查定子铁心的圆度、高度及垂直度,铁损试验前后还要用500 V摇表测穿心螺杆绝缘电阻≥15 MΩ,并对拉紧螺杆的预紧力、螺杆伸长量按圆周均布抽测,抽测量为10%,要求伸长值不超过额定伸长值±7%。在铁损试验后清扫定子铁心,并进行固化和喷漆。
发电机定子铁心是由薄硅钢片现场叠装而成,在铁心硅钢片的制造及现场叠装过程中,可能存在片间绝缘损坏,从而造成片间短路,引起定子铁心运行中局部过热,威胁机组的安全运行。为了防止片间短路,在现场定子铁心堆积、初步压紧完成后进行铁心磁化试验,确认定子铁心硅钢片设计制造、现场堆积、压紧等整体质量,检查铁片间是否有短路情况,绝缘是否良好。另外,对于某些机组,铁心磁化试验还能通过振动和发热使铁心下沉,达到仅由加压所不能达到的进一步压紧铁心的目的。
试验方法是在定子叠片堆积、压紧后的铁心上缠绕若干励磁绕组,将交流电流通入绕组内,此电流在定子铁心中产生磁场,同时产生涡流与磁滞损耗,使铁心发热,测量铁心总的有功损耗与温度,计算出单位质量铁心损耗与温升,从而判别铁心叠装的质量。
试验前,将定子机座与基础支墩再次紧固并可靠接地,彻底清理定子,试验现场用警示条围起来,悬挂警示标志。
定子具备磁化试验条件后,根据现场条件,将高压开关柜、测量表计等布置到适当位置,按照图1所示试验接线。
图1 铁损试验接线原理示意
将励磁绕组两端接至试验高压开关柜,缠绕时均匀分布于定子铁心上,测量线圈缠绕在2个励磁线圈的中间部位,包绕定子有效铁心,不包绕机座。接线结束后,仔细检查各设备、表计接线的正确性与可靠性,电缆试验合格后进行试验。
温度测量传感器布置时,在铁心、定子压板、定子机座上、安装、酒精温度计,并在定子内圆安排人员用红外线测温枪反复测量定子铁心表面各处的温度,以便检查和发现局部过热点。
试验开始后,合上10 kV电源断路器,检查现场无异常情况,记录初始电气数据,核算实际磁通密度,调整励磁线圈匝数,继续进行试验。试验人员记录各测温点的原始温度,合上10 kV电源断路器,每隔10 min记录一次铁心温度及各试验仪表的读数,试验进行90 min后,拉开断路器,结束试验,并拆除接线。
磁化试验结束后,检查定子机座与定位筋各焊缝无裂纹,螺杆无松动。
根据制造厂要求,单位铁损值不得大于材料的1.3倍(折算为标准磁通密度1T时的值),铁心最大温升不得超过25 ℃,温升差不得超过15 ℃。试验过程中,90 min内定子铁心最高温度为21.8 ℃,铁心最大温升为4.1 ℃,最大温升差为3.4 ℃,满足制造厂要求。详细记录见表1。
表1 铁心温升记录
根据GB/T20835—2016《发电机定子铁心磁化试验导则》[1]及发电机厂家提供的《水轮发电机定子铁耗试验守则》[3],相关的计算公式如下:
铁心磁轭质量
G=π×(D1-h)×S×η=126 776.06 kg
(1)
式中,D1为铁心外径,取7 500 mm;h为铁心轭部高度,根据制造厂说明,本台机定子铁心为穿心螺杆压紧结构,每张冲片上开有6-Φ32光孔,每层26张扇形冲片叠装成整圆,与一般机组为背部拉紧螺杆,冲片上无拉紧螺杆孔存在较大差异因此在计算铁心轭部高度时应考虑穿心螺杆孔的影响,本台机定子铁心最小高度为341.88 mm(有螺杆孔并且和鸽尾槽不在一条线上,最大高度为373.12 mm,取其平均值357.5 mm作为铁心轭部高度;S为铁心轭部截面积,为铁心有效长度与铁心轭部高度之积,其中铁心有效长度为2 080.5 mm,计算得0.743 778 75 m2;η为铁心密度,取7.6×103kg/m3。
实测铁损
ΔP′=P/G
(2)
式中,P为实测总功率。
折算到1 T、50 Hz后的铁损ΔP
ΔP=ΔP′×(f/f′)1.3×(B/B′)2
(3)
式中,f为标准频率,取50 Hz;f′为实测频率;B为标准磁通密度,取1 T;B′为实测磁通密度。
定子铁心磁化试验电气测量记录及相关计算结果见表2。
表2 测量记录及相关计算结果
根据发电机厂家提供的数据,铁心材料的单位铁损值为1.05 W/kg,其1.3倍为1.365 W/kg,溧阳电站6号机定子铁心的折算后单位铁损最大值为1.263 7 W/kg,满足制造厂要求。
溧阳电站6号机组定子铁心磁化试验的过程中各部温升正常,单位铁损满足规程规范及发电机厂家要求,说明定子铁心的制造、安装质量优良,为下一步工序定子下线工作的开展提供了有利保证。