柴油发电机作为施工电源在定子磁化试验中的探讨

邱世贵，梁道兴

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

马里古伊那水电站工程项目是“一带一路”倡议走向西非大地的一个缩影，电站位于塞内加尔河流中段，距卡伊市80 km，安装3台卡普兰式机组(功率46.67 MW)，总装机容量140 MW。

古伊那水电站定子铁心是现场叠片组装，为确认定子铁心硅钢片设计制造、现场堆积、压紧等铁心质量，可通过磁化试验检查硅钢片间是否有短路情况，绝缘是否良好，铁心温升是否满足规范及主机厂技术文件要求，定子铁心比损耗是否满足所用硅钢片的标准比损耗。由于马里地处西非内陆，电力供应极度匮乏，输电网络单一，覆盖区域小，对于古伊那电站项目施工区并未形成配电网，施工电源也面临挑战，无外来市电电源，因此施工电源采用柴油发电机组供电，对定子磁化试验的电源选择有一定的难度。

2 磁化试验基本原理及方法

在发电机定子铁片堆积、压紧后的铁心上缠绕励磁绕组，绕组中通入根据机组参数计算得出的工频电流，使之在铁心内部产生接近饱合状态的交变磁通。根据规范(GB/T 208352—2016)要求，水轮发电机取激磁磁感应强度H约为1 T左右，铁心在交变磁通中产生涡流和磁滞损耗，使铁心发热，温度很快上升。同时，使那些铁心中片间绝缘受损或劣化部份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测量定子铁心、上、下齿压板及定子机座的温度，计算出铁心最大温升(Δtmax)和温差Δt(即Δt=Δtmax-Δtmin)。在铁心上缠绕测量绕组，测量其感应电压，计算出铁心中不同时刻的磁感应强度，并根据测得的励磁电流、电压计算出铁心的有功损耗。最终根据定子铁心的温升来判断定子铁心质量，定子铁心比损耗值作为铁心质量的辅助判断。

2.1 定子铁心基本参数

试验前需要计算励磁绕组的匝数、励磁电流大小及铁心的质量，计算中用到的主要基本参数有：定子铁心外径D1=8.8 m，定子铁心内径D2=8.2 m，定子铁心总长L1=1.074 m，定子铁心齿高hc=0.126 9 m，定子铁心通风沟数为29，定子铁心通风沟宽b=0.006 m，试验电源频率f=50 Hz，定子铁心轭部截面面积Q=0.148 m2，试验时定子铁心轭部磁通密度B=1 T，定子轭部磁场强度H=2 A/m，定子铁心轭高hys=0.173 m，定子铁心净长lu=0.855 m，定子铁心叠压系数kFe=0.95，电源容量系数Ks=1.732，硅钢片密度ρ=7.6kg/m3。

2.2 理论计算结果

(1)励磁电压。U1=380 V(此为理论值用于计算，实际值为试验设备输出电压)，实际电压为柴油机发电机输出电压。

(3)理论计算测量线匝数为5匝(可根据现场根据表计调整测量匝数)。

(5)定子轭部理论重量。m=π(D1-hys)Qρ=30 469 kg。

(6)定子铁心轭部截面。s=lu×kys=0.148 001 m2。

(7)励磁线圈导线截面。s1=I/4=123 mm2，取≥150 mm2。

(8)根据《发电机定子铁心磁化试验导则》(GB/T 20835—2016)中“电源容量”章节，试验电源容量按下式计算：

S=KsU1I×10-3

得出电站定子磁化试验要求电源容量S=1.732×380×492.5×10-3=328 kVA，故取≥350 kVA。

3 准备工作

(1)试验设备。电压表，电流表，低功率因数瓦特表，频率表，电流互感器，钳形电流表，红外线测温枪，绝缘兆欧表，试验用电缆。

(2)对定子各部位进行彻底的清扫，全面检查机座和铁心，移走所有与试验无关的设备；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心所有拉杆螺丝等全部机械工作；用铜芯线将定子铁心(机座上)可靠地一点接地，铜芯线截面积应≥50 mm2。

(3)在定子铁心上按相同方向、均匀缠绕励磁线圈。励磁线圈缠绕时，应绕定子有效铁心，在铁心和机座棱角处用绝缘隔离绕励磁电缆，并用扎带固定在电缆上。测量线圈应绕在与励磁线圈成90°或者在相邻两组励磁线圈平分的位置，其匝数根据电压表要求决定。

(4)按定子圆周均分布置测温点8处，每处布置上、中、下3点，其中上测点和下测点为齿部，中测点为槽底，共计24个测点。试验时用红外线测温枪定时测量各点温度，并作好记录。

4 铁心质量判定

(1)铁心最大温升Δtmax限值。在1 T磁通密度下，试验经过90 min后，铁心最大温升Δtmax限值≤25 K。

(2)铁心相同部位(定子齿或槽)温差Δt的限值。在1 T磁通密度下，试验经过90 min后，定子铁心相同部位(定子齿或槽)最大温升与最小温升之差，即Δt=Δtmax-Δtmin≤15 K。

5 安全注意事项

(1)在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。

(2)试验期间，停止厂房内其他用电设备运行，保持电压稳定。

(3)试验过程中注意安全，做好防护措施，无关人员未经同意禁止靠近试验区域；有异常情况时停止主电源再进行检查。

(4) 试验区域附近不得进行可能产生大的噪音的其他作业。

6 试验过程

(1)关闭所有直接照射到并导致定子铁心温度提升的照明设备，各部位测量人员就位，记录好各表计的初始值以及铁心上分布好的各测温点的初始温度，合试验用断路器，开始计时。每隔15 min记录1次各温度计读数，用红外线测温枪或温度计测量各点的温度并记录。

(2)试验过程中，出现下列情况试验应终止：整个试验持续过程中，折算到1 T时，铁心最大温升不超过25 K，最大温升与最小温升不得超过15 K；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。

(3)整个试验完成以后，复核铁心内径、铁心高度、碟簧高度等相关尺寸，满足设计要求方可将所有试验设备撤除、退场，然后将试验区域清理干净(见图1～图3)。

S-交变电源；M1-励磁线圈；M2-测量线圈；TA-电流互感器；f1-频率表；V1、V2-电压表；A-电流表；W-低功率因数瓦特表

图2 磁化试验励磁绕组接线

图3 磁化试验柴油机并联供电

(4)主要试验数据分析如下所示(见表1～表3)。

表1 温度测量记录

表2 温升记录

表3 单位铁损记录

(5)计算公式及过程。

U1为实际电压(V)；B为磁通密度(T)；U′为仪表读数(V)；Q为铁心轭部截面面积(m2)；U2为实际电压(V)；W1为励磁线圈匝数,12匝；U2′为仪表读数(V)；lu为铁心净长(m)；I2为实际二次励磁电流(A)；hys为铁心轭高(m)；I′为仪表读数(A)；kFe为铁心叠压系数，取0.95；I1为实际一次励磁电流(A)；D1为铁心外径(m)；I2为实际二次励磁电流(A)；D2为铁心内径(m)；f为频率(Hz)；△PFe为铁心单位损耗(W/kg)；P2为二次损耗(W)；m为铁心轭部重量(kg)；P′为仪表读数(W)；ρ为硅钢片密度(kg/m3)，取7.6×103；PFe为总损耗(W)；△P1T50为1 T、50 Hz时定子单位铁损(W/kg)。

励磁电压：电压表接线柱选择500 V档，仪表刻度125，U1/U′=500/125。

励磁电流：电流表接线柱选择5 A档，仪表刻度100，I2/I′=5/100；也就是电流表满量程时测得的是5 A。但电流互感器变比为600∶5，I1/I2=600/5，即电流表可实际测得至600 A。

次级电压：电压表接线柱选择150 V档，仪表刻度150，U2/U2′=1/1。

频率：直接从仪表读取。

总损耗：电压接线柱选择150 V档，电流接线柱选择5 A档，仪表刻度150，P2/P′= (150×5)/150；电流互感器变比为600∶5，PFe/P2=600/5。

磁密：B=U1/(4.44fQW1)=U1/(4.44×f×0.148×12)Q=luhys=0.855×0.173 1=0.148；lu=kFe(L1-bn)=0.95×(1.074-0.006×29)=0.855，hys=(D1-D2)/2-hc=(8.8-8.2)/2-0.126 9=0.173 1。

单位铁损：△PFe=PFe/m；m=π(D1-hys)Qρ=π(8.8-0.173 1)0.148×7.6×103=30 469。

1 T、50 Hz时定子单位铁损：△P1T50=△PFe×(1/B)2×(50/f)1.3。

判定准则：实测单位铁损折算到1 T磁密下，不得超过1.3倍的理论损耗，即≤1.3×1.1。

说明：此项单位铁损用于辅助判断铁心质量。

试验结论：合格。

7 结 语

马里古伊那水电站定子磁化试验因受现场施工电源的限制，采用2台400 kW柴油机并列运行作为试验电源，试验圆满成功，定子铁心比损耗值符合规范及厂家技术要求，对类似电站的磁化试验具有参考意义。

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