三峡左岸电站VGS机组定子铁芯磁化试验.doc

三峡左岸电站VGS机组定子铁芯磁化试验
（陈正新1 陈剑锋2）
摘要：对于定子现场组装的大中型水轮发电机组，磁化试验是定子铁芯硅钢片堆积完成后必须进行的一项重要试验，其目的是检查定子铁芯制造和现场安装的整体质量。对三峡工程左岸电站首台发电机组（2#）定子铁芯磁化试验的方法和结果作了介绍。

关键词：三峡工程； 磁化试验； 过热点； 温差； 磁感应强度； 单位铁损值

中图分类号：TV 734 文献标识码：A

1 概述

三峡工程左岸电站共装有14台单机容量为700 MW水轮发电机组，主机设备分别由ALSTOM集团和VGS联营体供货。首台发电机组（2#）设备由VGS联营体制造，2001年11月机组安装及调试工程正式开工，计划于2003年9月并网发电。2#机组发电机定子在1#机坑内进行机座组圆、合缝焊接、铁芯叠装等工作，吊入2#机坑调整后进行磁化试验、定子下线。铁芯磁化试验于2002年5月22日顺利完成。

2 磁化试验

2.1 磁化试验目的

大、中型水轮发电机组由于运输尺寸、重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、铁芯堆积及定子下线等工作。铁芯磁化试验是在定子铁芯堆积、初步压紧完成后进行，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。发电机定子铁芯是由薄硅钢片现场叠装而成，在铁芯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。为了防止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。

另外，对于某些机组，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 试验基本原理及方法

在发电机定子铁片堆积、压紧后的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1~1.2 T，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。

试验中用红外线测温枪或热电偶测量定子铁芯、上下齿压板及定子机座的温度，计算出温升和温差；用红外线测温仪扫描查找定子铁芯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，计算出铁芯中不同时刻的磁感应强度，并根据测得的励磁电流、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 基本参数

试验前需要计算励磁绕组的匝数、励磁电流大小及变压器的容量，计算中用到的基本参数如下。

铁芯内径 d1= 18 500（mm）

铁芯外径 d2=19 310（mm）

铁芯高度 h= 3 130（mm）

铁芯压紧系数取 k= 0.95

通风沟高度 b=6（mm）

通风沟数量 n= 55

硅钢片安匝数取h0= 1.9（安匝/cm），取B=12 000（高斯）

槽形尺寸 142.0×35.45，槽深h1= 142.0（mm）

铁芯总重3.264×105（kg）

图1 定子铁芯断面图

2.4试验计算

(1)铁芯有效高度

(2)铁芯轭部宽度

(3)铁芯截面积

(4)励磁线圈匝数

(5)励磁绕组电流

(6)电源容量

(7)测量电压

励磁线圈导线的选择：按3.5 A/mm2载流量计算，所需励磁电缆芯线截面积为336.3/3.5=96.1 mm2，选用两根50 mm2的10 kV铜芯软电缆双线并绕，单根长度约为500 m。

3 试验过程

3.1 准备工作

对定子各部位进行彻底的清扫，全面检查机座和铁芯，移走所有与试验无关的设备；将所有的槽样棒取出；在机座外周与机坑内壁均匀布置8个液压千斤顶，以固定定子机座；检查通风沟、上下端部位置、各环板间，保证各处无残留金属物件；完成紧固并检查定子铁芯所有拉杆螺丝等全部机械工作；用75 mm2的铜芯线将定子铁芯（机座上）可靠地一点接地。

在定子铁芯上按相同方向、均匀缠绕励磁线圈。因为是双线并绕，在铁芯上先均匀缠绕一组线圈，共34匝，然后按相同方向均匀缠绕另一组线圈，共34匝，两组线圈的头和尾均在同一位置引出。为了试验期间可能需要的绕组数的变更，励磁电缆头和尾引出长度需留有缠绕定子铁芯两圈约20 m的余量。励磁线圈缠绕时，在铁芯和机座棱角处用厚5 mm的绝缘橡皮包绕励磁电缆，并用扎带固定在电缆上。

测量线圈用2.5 mm2的胶质线，在铁子铁芯上缠绕好测量线圈。测量绕组导线从上下压板的缝隙中穿过，应包绕定子有效铁芯，不能包绕定子机座，测量线圈匝数为1匝。为了确保测量电压正确，实际采用2组测量绕组对称布置。

高压开关柜、测温装置及铁损测量表计布置在机组发电机层下游适当位置，信号从各测量点引入。用4台远红外测温仪定时测量各位置温度。

在铁芯背部（外周）每90°方向（上、中和下部位置）各作3个标志点，总共12个点；在铁芯背部的某一标志点的对应位置上相应的上、下压板处，作共8个标志点；在对应上、下压板标志点的位置上的定子机座中部，作共4个标志点。试验时，用红外线测温枪定时测量所有标志点处温度，并作好记录。

在机坑内定子安装平台的中心上安装一个旋转架，在旋转架上安装一台红外线测温仪（TVS-100），试验中循环扫描定子铁芯内侧，用来实时监视铁芯内侧过热点。

3.2 试验过程

为了安全起见，根据VGS现场代表的要求，所有准备工作完成后，在正式试验开始前进行15 min的低磁通检查试验，把绕组1的尾与绕组2的头串接起来组成一个励磁绕组，匝数为68匝，相应的磁感应强度为0.6T。在此低磁通下，检查整个铁芯无异常现象。

低磁通检查试验完成且确认正常后，进行正式磁化试验。关闭所有可能照射到定子铁芯上的照明，各部位测量人员就位，记录好各表计的初始值，合试验用高压断路器，同时开始计时。每隔10 min记录一次各表计读数；用红外线测温枪测量各标志点的温度并记录；用红外线测温仪循环扫描定子铁芯，随时监测各部位温度，并定时录制热成相照片，找出高温区进行重点监测。

试验过程中，温升控制每h不超过5 K；定子铁芯温度不超过70℃；上、下压板温差不超过10 K；铁芯和机座温差不超过15 K。

试验过程中，下列情况下试验应终止：整个试验持续90 min后。或折算到1T时，铁芯的最高温升超过25℃；或折算到1T时，铁芯与机座间的最高温差超过15℃；或试验过程中有局部打火、发红甚至冒烟或振动过大等现象发生。

磁化试验共进行了3次，低磁通检查试验在中午13∶00进行，持续15 min结束，第1次正式磁化试验在晚上20∶05进行，持续55 min后终止，第2次正式磁化试验在晚上22∶30进行，持续90 min顺利完成。

第2次正式磁化试验后，重新检查压紧螺杆力矩值，对力矩值减小，重新拧紧压紧螺杆，直到力矩值达到

2 500 N·M。整个试验完成以后，所有试验设备撤除、退场，然后将试验区域清理干净。

3.3 安全注意事项

在发电机层、水轮机层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，控制进入铁损试验区域的人数。在发电机层机坑四周、定子风洞内四周、下机架基础处，设置足够数量且符合使用要求的干粉灭火器。试验期间，厂房桥机严禁经过试验区域上空。

当试验因异常情况终止后，应检查处理异常点。处理完后经检查验收处理情况、认为合格后，方可重新开始试验。

4 试验结果及分析

4.1 试验分析

在低磁通检查试验时，测量绕组中的感应电压为94.5 V，实际磁感应强度经计算后的出为0.599T，与设计计算值基本相符；励磁电流为45A，h0为0.6安匝/cm，与设计值比较明显偏小，其原因可能是：1）绕组电缆过长。单个绕组为68匝，电缆总长约1100 m，这会引起一定的压降。2）铁芯硅钢片材质不同，设计取值h0=1.9安匝/cm偏大，引起设计计算励磁电流偏大。3）电流随时间变化渐增大，第2次正式磁化试验中，励磁电流由236 A逐到284.8 A。根据此电流变化，反推出h0应在1.2~1.7安匝/cm之间变化。

第1次正式试验过程进行55 min后停止，50 min温升为5 K，此时定子铁芯平均温度为26.8℃，上、下压板温差为2 K，铁芯和机座温差为5 K试验进行到45 min时，铁芯内侧+Y偏+X方向45°处铁芯中部出现过热点，比其他相应部位温度高8K。按此温升趋势，90 min内过热点比其他相应部位温度将高10K以上，根据业主、专家、外方专家及施工单位等多方的意见，决定终止试验，对过热点进行处理。

过热点处理工作90 min左右完成，第二次正式试验开始，环境温度为19℃，相对湿度为80%RH。此时各部位温度尚未完全降下，比环境温度稍高。试验进行到20 min时，机座各部位地脚螺栓（尚未固定）逐渐松动引起响声增大，进行到30 min时，机座+X方向有一根定位筋松动发出异常响声，经多方确认此现象对试验无影响，试验继续进行。整个试验过程机坑内的噪音为80~90 dB，定子机座轴向和径向振动分别为0.04 mm和0.02 mm。

4.2 铁芯及机座温升记录

第2次试验过程中，铁芯最大温升90 min内为8.5 K，定子铁芯最高温度为35.4℃，上、下齿压板温差未超过2 K，铁芯和机座温差为超过9 K。详细记录见表1。

表1铁芯及机座温升记录

表1中为实际测量温度，换算成1T时的单位铁损值时，铁芯的最高温升为3.8K，铁芯与机座间的最高温差为7.5 K。

4.3 单位铁损计算

第1次定子铁芯磁化试验电气测量记录见表2，第2次定子铁芯磁化试验电气测量记录见表3。实际高斯值、单位铁损的计算结果根据相关公式得出，总铁芯损耗根据瓦特表读数计算出。

①试验过程中，实际高斯值可以利用测量绕组测的的实际数据，由下列公式推导计算出：

由上叙公式计算出的不同时刻的实际高斯值，式中的U2取试验过程中测量绕组的实际电压值，实际高斯值已在表2和表3中计算给出。

②因铁芯中磁通发生变化时，磁滞损耗和涡流损耗均与磁感应强度的平方成线性关系，根据实际总损耗，由下列公式推导换算至10 000高斯时的单位铁损：

式中，W为实际测量并计算后得到的总铁损，G为铁芯重量，B1为计算出的实际磁通密度，不同时刻单位铁损和换算至10 000高斯时的单位铁损已在表2和表3中计算给出。

表2 单位铁损计算（第1次试验）

表3单位铁损计算(第2次试验)

5结束语

三峡工程左岸电站VGS机组2#机组定子铁芯磁化试验顺利完成，为机组安装下一步工序定子下线工作尽早进行提供了有利保证。定子铁芯磁化试验的结果与设计计算值基本相符，各部位测点温升正常，试验过程无其它异常现象，这说明VGS机组定子铁芯的设计制造和现场安装工作是成功的。

需要说明的是，对于磁化试验中单位铁损值无特别说明，VGS也尚未提供此方面的数据，90 min时单位铁损换算至10 000高斯时的单位铁损为1.361 W/kg，是否符合标准还有待研究。另外，表1和表2中的单位铁损值的计算中，电压取值均为一次侧PT电压，单位铁损值相对偏大。如电压取值为二次侧测量电压，则90 min时单位铁损换算至10 000高斯时的单位铁损为1.336 W/kg。

作者简介：陈正新，中国水电八局机电安装分局，工程师。

作者单位：1 中国水利水电第八工程局；2 葛洲坝电厂建设监理公司