乌东德水电站定子磁化试验计算分析

曹 琳，陈颖润

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

乌东德水电站定子机座的定子铁芯由0.5 mm厚的硅钢片叠装而成，分层压紧，并用高强度螺栓压紧，定子铁芯通过鸽尾形定位筋固定于定子机座上，铁心叠片前需要对铁片进行逐箱检查、清扫[1-2]。定子铁芯磁化试验过程如下。

1 试验目的

发电机定子铁芯磁化试验主要是测量定子铁芯的总功损耗及定子铁芯、机座、齿压板等各部位的温度，定位局部过热点，从而计算出铁芯的单位损耗及温升，识别局部缺陷，综合判断定子铁芯的制造以及安装质量是否符合设计要求。

2 试验基本原理

定子铁芯磁化试验的基本原理是：在叠装完成的发电机定子铁芯上缠绕励磁绕组，并通入交流电流，使之在铁芯内部产生接近饱和状态的交变磁通，从而在铁芯中产生涡流和磁滞损耗，使铁芯发热。

用埋设的温度计测量定子铁芯、上、下压板及定子机座的温度，计算出温升和温差；用红外线测温仪查找局部过热点及辅助测温；在铁芯上缠绕测量绕组，测量其感应电压，计算出铁芯总有功损耗。将测量结果与设计要求进行比较，以判断定子铁芯的制造与安装质量[3]。

3 编制依据

（1）GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》

（2）GB/T20835-2016《发电机定子铁心磁化试验导则》

（3）SL600-2012《水轮发电机定子现场装配工艺导则》

（4）金沙江乌东德水电站850MW水轮发电机组安装质量检测标准

（5）金沙江乌东德水电站右岸电站机电设备安装与调试工程合同

4 试验准备

4.1 试验前检查

（1）试验前检查试验仪器、仪表，保证其能够满足试验要求；并对所有相关试验设备及仪表进行校验，合格后方允许使用，向监理部门出示校验合格证书。

（2）对定子进行彻底地清扫，全面检查机座和铁芯，移走所有与试验无关的设备。

（3）将压指、铁芯等所有温度计引线用地线连接，确保测温元件不受损坏。

（4）将所有的槽样棒取出。

（5）检查通风沟、上下端等位置以及各环板，保证无残留金属物件。

（6）完成紧固定子铁芯所有拉杆螺丝等全部机械工作。

（7）用95 mm2的铜编织线将定子机座可靠一点接地。

（8）检查供电电源已具备试验条件。

（9）试验前，将试验用三相高压电缆及单相高压电缆做好电缆终端头，并进行试验。

（10）准备两台应急灯和4个手电筒。

4.2 试验电源准备

根据现场条件，选用10 kV励磁电源。

4.3 试验计算

乌东德电站机组定子铁芯断面如图1。

图1 定子铁芯断面图

4.3.1 定子铁芯基本参数

铁芯内径：d1=17 850 mm。

铁芯外径：d2=18 900 mm。

铁芯高：h=3 120 mm。

铁芯压紧系数：取k=0.96（制造厂提供的数据）。

通风沟宽度：b=6 mm。

通风口数量：n=60。

硅钢片安匝数：取H0=1.7 A/cm（制造厂提供的数据）。

槽形尺寸：（定子线棒槽深h1）208.1 mm×（定子线棒槽宽）25.3 mm，h1=208.1 mm。

铁芯总重：555 000 kg。

4.3.2 计算

（1）铁芯有效长度：L=k×(h-n×b)=264.96 cm。

（2）铁芯轭部高度(ha)：ha=(d2-d1)/2-h1=31.69 cm。

（3）铁芯截面积（S）：S=L×ha=8 396.582 cm2。

（4）励磁线圈匝数(W1)：

W1=U1/(4.44f×S×B)×108=51.09（取B=1.05×104高斯）；匝数取50匝(U1为励磁线圈电压 10 000 V，f为50 Hz)。

（5）励磁绕组电流（I）：

I=π（d2-ha）H0/W1=198.39 A（令H0=1.7）。

（6）电源容量（P）=U1I=3 436.11 KVA。

若测量线圈取W2=1匝，则测量电压U2=U1W2/W1=10 000/50=200 V。

励磁线圈导线的选择：按每3.5 A/mm2计算，所需励磁电缆芯线截面积为190.76/3.5=54.5 mm2，选用一根70 mm2的10 KV电缆，均匀缠绕，总长度约为800 m。

4.4 试验布置

（1）试验区域布置，见图2标准化安全防护措施，设置区域隔离，放置足够的干粉灭火器，定子周围设置围栏，防止高空坠落，试验人员有相应的资格证书。

图2 试验区域布置

（2）在测量区域设置两张桌子，放置测量仪表。

（3）励磁电源布置：励磁电源进线高压开关柜布置在定子5 m处，电源从临时供电点10 kV高压开关柜上端引入试验用高压开关柜，高压开关柜根据试验要求，整定好过流保护定值，并验证保护功能是正常的。

（4）布置励磁线圈如图3所示。

图3 励磁线圈缠绕方式示意图

在定子铁芯上按相同方向、平均分5个区域集中缠绕励磁线圈，每个区域绕10匝。试验期间存在绕组数变更的可能性，励磁电缆头和尾需留有缠绕定子铁芯两圈约30 m的余量。励磁线圈缠绕、固定完成后，必须仔细检查无误后用2 500 V摇表检查励磁电缆绝缘。

（5）红外热成像仪：业主或厂家提供红外热成像仪随时监测各位置温度，重点监视各过热区域的温度。

（6）温度测量（热电偶）的布置：铁芯上按+X、-X、+Y、-Y、+X+Y、+X-Y、-X+Y、-X-Y八个方向的上、中、下部各放置一个热电偶测温计，总共安装24个热电偶；在+X、-X、+Y、-Y方向的上下压板上，也各放置一个热电偶，上下压板安装的热电偶共是8个；在定子机座上按对应上中下部铁芯温度计的位置放置12个热电偶；在铁芯背部按+X、-X、+Y、-Y、四个方向的上、中、下部标好点，并用红外测温仪监测。在定子内圆内利用红外热成像仪随时监测各位置温度，以便检查和发现局部过热点。在试验过程中安装施工人员现场监测温度计数据。

（7）测量线圈的布置：为检查铁芯磁场是否均匀，确保测量电压正确，在铁芯180°方向布置两组测量线圈，用2.5 mm2的导线，在两组励磁线圈中间紧靠定子铁芯位置缠绕1圈，测量绕组导线从上下压板的缝隙中穿过，各绕1匝，分别引至U21与U22并接线。测量绕组应包绕定子有效铁芯，但不应包绕定子整个机座。

（8）试验过程中，机坑内安排测量2名人员，读取热电偶测温装置测温读数。机坑外安排测量人员4人，+X、-X、+Y、-Y方向各一人，读取定子机架测温读数及用红外测温计测量铁芯背部温度，准备4架木梯子。试验人员安排三人在试验区域对电压、电流、功率、频率等读数记录，安排一人测量噪声，安排一人进行现场监护及数据归总。

4.5 测量布置

测量布置如图4～图6。

图4 测量布置剖面图

图5 定子铁芯温度计布置方位图（单号在上，双号在下）

图6 定子齿压板及机座温度计布置方位图

5 试验说明

5.1 试验接线

定子铁芯磁化试验接线如图7所示。

图7中：U1为励磁电压测量电压表；U21、U22为感应电压测量电压表；A为励磁电流测量电流表；W为低功率因素瓦特表；PT为电压互感器；CT为电流互感器；DL为断路器；f为频率表。

测量线圈用2.5 mm2塑胶线，在两组励磁线圈中间紧靠定子铁芯位置缠绕1圈。在线圈经过定子铁芯棱角处用足够强度的绝缘垫防护，避免线圈受损。

图7 定子铁芯磁化试验接线图

5.2 试验过程

（1）试验有关人员全部就位，在试验台上放置温湿度仪，监测环境温度和湿度。

（2）检查试验接线正确性、励磁电缆和测量电线的绝缘情况，绝缘阻值大于20 MΩ。

（3）试验过程中，关闭有可能照射到定子铁芯上的所有照明。

（4）所有准备工作完成并且确认无误，业主、厂家、监理、施工单位四方签字认可，方可进行试验。安全起见，在正式试验前，做第一次瞬时合闸试验，无特别异常，做第二次合闸试验，无异常，则通电10 min，同时调整测量表计，对比测量实际数据与计算值的偏差大小，如有疑问需分析原因，并进行纠正。

（5）各部位正常以后，记录好各表计的初始值，合试验用断路器，同时开始计时。

（6）每隔10 min记录一次各表计读数，并用红外测温仪随时监测各部位温度，找出高温区进行重点监测，并定时将记录反馈到试验台，以便试验人员做出判断。

（7）试验过程中温度控制：

定子铁芯最高温度不超过70 ℃。

定子铁芯各部位的最高温升不超过25 K。

定子铁芯最大温差不超过10 K。

铁芯和机座温差不超过15 K。

单位损耗符合制造厂规定。

（8）整个试验持续90 min。

（9）定子铁芯磁化试验合格后，再次拉伸定子铁芯穿心螺杆。

5.3 试验终止及重新开始

（1）试验终止及重新开始必须由试验总指挥下令，一般情况下，其他人无权下令终止或重新开始试验。

（2）下列情况下，试验终止：整个试验持续90 min。或折算到1 t时，铁芯的最高温升超过25 K。或折算到1 t时，铁芯部位之间最高温差不超过10 K，铁芯与机座间的最高温差不超过15 K。或试验过程中有无局部打火、发红甚至冒烟或振动过大等现象发生。

（3）重新开始试验：当试验因异常情况终止后，应检查处理异常点。

处理后经监理、制造厂各方检查验收合格后，方可重新开始试验。

5.4 试验结果整理

试验中对定子铁芯温度记录、参数测量记录、试验参数计算分析，有关公式如下：

式中：U2为测量电压（V）；f为试验电压频率（HZ)；Q铁芯轭部截面积=L×ha（m2）；W2测量线圈匝数；B1为计算出的实际磁通密度（T)。

换算至10 000高斯时的单位铁损如下：

式中，W为实际测量得到的总铁损；G为铁轭重量；B1为计算出的实际磁通密度。

6 小结

定子铁芯磁化试验是发电机定子铁芯叠片质量检验的一项至关重要的试验，试验时需要保证磁通量在试验允许范围内，通过测温判断定子整体有没有局部过热点，从而推断出有无片间短路等问题。本文分析850 MW级水轮发电机组的定子磁化试验，以期以后同类型的机组试验提供借鉴。