变频电源在水轮发电机组定子铁损试验中的应用

王 建 正， 李 科， 刘 艳 丽， 郭 林 伟

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

定子铁损是水轮发电机能量损失之一，对发电机效率、功率因数均有一定的影响。发电机定子铁芯是由薄硅钢片现场叠装而成，水轮发电机在机组运行过程中可能因铁芯内部冲片短路导致产生局部过热点从而加速铁芯绝缘盒定子线圈绝缘的老化，甚至造成铁芯烧损及线圈击穿事故、进而威胁到水轮发电机的安全运行。因此，为检查铁芯制造、安装中的质量，在发电机定子完全叠片安装完成后、定子线棒下线前需进行定子铁损试验，从而综合判断定子铁芯的制造、安装质量是否满足设计要求。对于大型水轮发电机组，其是制造安装工序检查中必不可少的试验项目之一。

苏布雷水电站发电机定子绕组型式为条形叠绕组，上、下层线棒共计1 392根，696槽，并联4支路,56极。定子额定电压为10.5 kV，绕组绝缘等级为F级，绕组上、下端各布置一条端箍，线棒端部的绝缘采用绝缘盒灌胶工艺。下线装配及附件安装完成后，定子总重量约为170 t，定子总起吊重量约为227 t。

试验采用的主要规范和标准：

GB/T 20835-2007 发电机定子铁芯磁化试验导则

GB/T 8564-2003 水轮发电机安装技术规范

SL 600-2012 水轮发电机定子现场装配工艺指导

B50A250 硅钢片型号

交接标准： 铁芯各部分最高温升<25 K(在1.25T时)

铁芯相互间最大温差<15K(在1.25T时)

2 投标阶段设计的水轮发电机

苏布雷水电站地处低纬度地区，受赤道低气压带影响，属于热带季风气候，其主要特征为高温多雨，全年平均温度约为26.5 ℃左右，一年分为两个雨季，分别为3～6月和9～10月，一般在7～8月有一个小旱季。苏布雷水电站厂房通风设计温度约为30 ℃，厂内相对湿度≤80%。发电机的基本参数见表1。

3 试验原理及数据

定子铁损试验是发电机大型试验项目之一，试验前必须完成大量的计算和准备工作。

3.1 铁损试验的基本原理

在叠装完成的发电机定子铁芯上缠绕励磁绕组，绕组中通入交流电，使其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。若铁芯中片间绝缘受损或劣化将产生较大的涡流，温度很快就会升高。

使用测温电阻测量定子铁芯的温度，计算出温升及温差；使用红外线测温仪查找局部过热点并辅助测温；在铁芯上缠绕测量绕组以便测量其感应电压并计算出铁芯轭部总的有功损耗。将测量结果与设计要求进行比较后判断定子铁芯的制造与安装质量。本次试验设备的电源电压为 400 V，电气试验接线原理见图1。

图1 采用变频器做定子铁芯损耗试验的连接示意图

3.2 铁损试验的理论计算

3.2.1 定子铁芯轭部截面A(mm2)的计算

定子铁芯轭部截面A(mm2) 的 各部分尺寸见图2。

A=L×h= 1.089 6 ×0.198 5

=0.216 3(m2)

L=K(L1-nb)=0.96×(1.24-21×

0.005)=1.089 6(m)

h= (Da-Di)/2-hs= 0.325-0.126 5

=0.198 5(m)

式中L为定子铁芯的有效高度 (m)；h为定子铁芯的轭部高度 (m)；K为填充系数；L1为定子铁芯总长 (m)；n为定子铁芯通风沟数；b为定子铁芯通风沟宽(m)；Di为定子铁芯内径 (m)；Da为定子铁芯外径 (m)；hs为定子铁芯齿高 (m)。

3.2.2 励磁线圈(Nr)的计算

式中U2为励磁线圈电源电压 (V)；f为试验电源频率(Hz)；B为试验时铁芯轭部磁通密度 (T)。

试验时要求铁芯轭部磁通密度为 1.25 T，f=40 Hz，励磁线圈 (Wr)的匝数(Nr)应为：

3.2.3 励磁线圈电流 (I) 及功率 (Pr) 的计算

≈738 (A)

Dav=Da-h=11.27-0.198 5

=11.071 5(m)

式中Dav为定子轭部的平均直径(m)；H0为

1.7×102A/m。

励磁线圈(电缆绕制的)的功率 (Pr)：

Pr=1.1×IU2×10-3=1.1×738 ×400 ×

10-3=324 (kVA)

同理，按照上述公式计算不同的B对应的相关数值，见表2。

4 试验过程中的主要数据

表2 不同B值对应频率、匝数、电缆截面等相关数值表

图2 定子铁芯各部分尺寸示意图

众所周知，工频频率范围为40～60 Hz，且目前国内同类电站定子铁损试验大多采用工频技术。但根据业主(科特迪瓦共和国矿产能源部)要求，苏布雷水电站定子铁损试验采用的标准为90 min，50 Hz/1.25 T。苏布雷水电站现场工业用电为33 kV系统，试验电源根据实际情况只能采用400 V系统。若采用常规办法，励磁电缆截面积需采用400 mm2,试验电源功率需选用大于850 kVA的变压器。因试验电源功率偏大、电缆截面积偏大、试验过程中的振动较大而无法控制、现场实施试验的劳动强度大等因素困扰着该项试验的实施。经与业主反复沟通，最终决定采用变频技术，即谐振原理。此次试验为水电五局首次采用变频技术进行发电机定子铁损试验，由隶属于美国GE公司旗下的瑞士ALSTOM发电机总部的试验设备厂家代表进行。在本次试验中，励磁绕组分2个区域对称缠绕，每个区域缠绕18圈；测量绕组分3个区域，每个区域缠绕12圈。科特迪瓦苏布雷水电站1#机、3#机定子铁损试验在安装间进行，2#机定子铁损试验在基坑内进行。其中励磁电缆截面积为65 mm2，试验总电源功率为275 kW。笔者以3#机定子铁损试验作为研究对象予以介绍。试验场地布置情况见图3。

变频器采用ABB生产的ACS变频器，电压为1 200 V，电流为2 250 A，电容为6×1 mF，补偿功率为2 700 kVA，频率为50 Hz，电流互感器为6 000 A/5 A，电压互感器为1 200 V/100 V。变频器基本情况见图4。

图4 变频器示意图

5 试验分析与注意事项及结果

5.1 试验分析及注意事项

(1) 首先按表2中的序号1接线; 试验时间为10 min并观察；如果正常，则应调整变频器的频率为50 Hz并按照表2中的序号3接线，其励磁电缆为9匝；试验时间 为10 min并观察；如果正常，则试验时间为持续90 min；

(2)试验过程中发现振动较大。经与业主工程师沟通，为确保安全可靠，业主方、总包方、试验执行方三方达成一致意见：降低试验频率，增加试验时间。1#定子铁损试验频率为45 Hz,磁通密度为1.25 T，试验时间为120 min。由于2#、3#定子试验频率选用40 Hz，故磁通密度为1.25 T、试验时间为120 min；

(3)从变频器到定子绕组的电缆应尽量缩短，此举可减少电缆对地的电容量并减少干扰的发射源；

(4)事先在变频器盘柜内设置相应的频率值，同时，变频器本体应与电站的接地网可靠连接并在变频器内设置过载、过流保护，且直流侧电容的耐压大于900 V、交流侧电容的耐压值大于450 V；

(5)为确保数据采集精准，避免干扰，测量绕组与动力绕组的距离必须大于50 cm；同时，环境温度应小于40 ℃；环境湿度应小于85%；

(6)励磁电缆应采用耐压 (1 kV) 的单股多丝铜橡胶电缆绕制。在电缆与定子铁芯及轭部凸棱处绕制时, 应垫软质绝缘保护层。 试验接线及表计的极性应正确,励磁绕组和测量绕组应均匀地绕制在定子铁芯周围, 先松、待调整均匀、垫完绝缘后再紧固。 测量线圈应在进出线对侧的中间布置且不能与铁芯接触,应垫绝缘保护材料；

(7)试验中检查定子膛内各部温度时应穿绝缘鞋, 不能用双手同时直接触摸铁芯以防触电，膛内及工作人员不能带金属物件；

(8)试验中若发现铁芯任何一处温度超过规定值 (一般为105 ℃), 或个别地方发热厉害、甚至冒烟或发红时, 应立即停止试验，找出原因并予以消除后再进行试验；

(9)在读取各部分有关参数时, 应尽量同时读取并每隔10 min读一次，迅速计算其有关温升、 温度及单位损耗；

(10)在试验现场，应安装电源开关的分/合闸控制, 以便在遇到紧急情况时可方便操作，以减少损失。定子铁芯的基础与地的接触要牢固且外壳必须要与电站的接地系统连接可靠, 接地线应裸露且接触良好。

5.2 试验结果

由试验数据可以看出，最大铁芯损耗小于1.43 W/kg，即单片硅钢片损耗的1.3倍，铁芯齿部和轭部的最大温升均小于25 ℃，铁芯齿部和轭部的最大温差均小于15 ℃，试验数据满足相关标准规定的指标，发电机定子铁损试验合格。试验过程中无局部过热现象出现，铁芯片间绝缘良好。定子铁损试验合格，铁芯叠装质量合格。

6 结 语

发电机定子铁损试验是一项重要的电气试验，用于检验铁芯制造、叠装质量，可以测出铁芯损耗。但由于没有转子的参与，其与电机实际运行不同，铁芯损耗也将因磁通产生的方式、路径以及磁动势的形式而对数据的准确性和可靠性有一定的影响。本次采用变频技术进行铁损试验，很好地利用了谐振原理，与常规定子铁损试验相比，大大减少了试验总电源要求以及励磁电缆的截面积；同时，减弱了试验过程中的振动，减轻了现场试验的劳动强度，大大提高了试验效率，降低了危险因素。各项试验数据准确可靠，对今后其它电

站定子铁损试验采用变频技术提供了很好的参考。