张富斌 王大勇
中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710032
摘要：大型水轮发电机的定子铁芯由现场叠放的薄硅钢片制成。在制造硅钢片或现场堆垛的过程中，片与片之间可能存在绝缘损坏，导致片与片之间短路。运行中的发电机板间短路会造成局部过热，加速铁芯绝缘和定子线圈的老化，甚至威胁机组的安全运行。磁化试验是发电机定子铁芯硅钢片叠片组装后必须进行的一项重要试验。
关键词：水轮发电机；定子铁芯；磁化试验；励磁电压
定子铁芯磁化试验是定子现场叠放后，检查铁屑之间是否有故障，是否被压下的试验。分析了大型水轮发电机定子铁芯改造后的磁化试验过程和计算方法，通过对试验数据的统计分析和计算，确定当磁感应强度为1T时，铁芯损耗大于国家标准；最后，对定子铁芯可能存在的问题和缺陷进行了讨论和研究，并成功地制定了对策。
一、概述
1.工程概况。（1）丰宁抽水蓄能电站位于河北丰宁县境内。工程规划总装机容量3600MW，为一等工程，大型规模。分两期建设，本期装机容量1800MW，安装6台单机容量为300 MW的可逆式水泵水轮机组。电站主要由上水库、水道系统、地下厂房系统、蓄能专用下水库及拦沙库等建筑物组成。电站建成后，在京津唐电网系统中承担调峰、调频、调相和事故备用任务。定子散装到货，铁芯现场叠装完成后进行铁芯磁化试验。（2）试验条件。定子铁芯叠片验收完成后进行磁化试验。（3）试验范围。7~10#组机定子铁芯。
2.试验目的。（1）计算各测点温升是否超过了规范的规定值。（2）计算铁芯单位比损耗是否满足规范或者厂家的技术要求。（3）结合试验方案第八部分的主要和辅助判别方法及试验前、试验中、试验后的相关检查，最后综合判断硅钢片片间绝缘及叠装质量是否良好。
二、磁化试验措施
1.试验准备。主要工作包括技术准备和现场准备。（1）技术准备。计算励磁线圈匝数WL、励磁电流I、电源功率PL，选取测量线圈匝数Wm、估算铁芯重量G。
2.计算励磁线圈匝数WL。按照下列步骤计算线圈匝数WL。
.png)
（2）铁芯有效长度L=K×(L1-nb)=0.96×(308-78×0.4)=265.728cm（3）铁芯轭部截面积S=L×h=265.728×43.32=11511.337cm2。（4）假设励磁绕组电压U1取10.5kV，励磁电源频率50Hz,试验时铁芯磁通密度达到1T时，计算励磁线圈匝数WL。WL===41.09匝.考虑到线圈本身的压降，为保持1T的磁通密度，励磁线圈比计算值减少1～2匝，所以，取励磁线圈匝数40匝。
3.计算励磁电流I。（1）铁芯轭部平均直径Dav=D1-h=663-43.32=619.68cm。
.png)
4.现场准备。（1）缠绕励磁线圈和测量线圈。1）励磁绕组选用1根10kV50mm2橡套软电缆,均匀缠绕在定子上。2）测量绕组选用4mm2多股铜芯线，缠绕铁芯有效部位。（2）试验工作准备。1）核实施工线路截面积满足载流要求。2）按照同一方向均匀缠绕励磁绕组，励磁线圈和测量线圈在定子铁芯直角部分垫绝缘层保护，试验过程中防止损坏导线。3）酒精温度计布置的位置与定子铁芯测温电阻间隔按45度均匀布置。在定子上下齿压板按45度均匀布置一只酒精温度计，测量齿压板的温度。4）准备电流互感器、电流表、电压表、低功率瓦特表等仪器仪表，按照试验原理图接线。5）准备多只红外线测温枪。6）准备通讯工具，例如：对讲机等。（3）安装工作方面。1）试验前，确认定子基座固定牢固且可靠接地，铁芯测温电阻接地。2）检查穿心螺杆与硅钢片之间的绝缘，绝缘电阻值满足厂家技术要求。3）铁芯磁化试验前，铁芯最后一次压紧已完成，压紧力、螺栓拉伸长度满足厂家技术要求。4）进行彻底清扫检查铁芯。齿压板、通风沟内无遗留物。（4）试验技术交底。1）详细讲述施工工艺与试验方法，试验目的、试验原理。2）明确试验的步骤和顺序。3）技术要求与质量要求。4）安全要求。
三、试验步骤与试验结果计算
1.试验步骤。（1）将电缆一端采用人工沿上游边墙至6#机与安装间分缝处转弯至下游侧，最终敷设至6#母线洞专用开关柜处，敷设完成后采用桥机将高压电缆盘吊起落下进行均匀缠绕。（2）缠绕完成后将电缆另一端同样敷设至6#母线洞开关柜处，将开关柜断开并合上接地倒闸，打开开关柜后门并悬挂接地线，将电缆分别接至A、C两相，拆除外挂接地线关上后门。（3）记录酒精温度计的原始温度。记录铁芯测温电阻值，换算出原始温度值。（4）试验断路器操作人员、观察人员、记录人员就位。（5）与布置在6#母线洞的铁损专用断路器柜试验操作人员、现场观察人员沟通顺畅。（6）第一次合试验断路器，立即与现场观察人员联系，定子铁芯膛内有无冒烟、发红、发光、震动异常、噪音超标等现象，酌情立即停止试验，进行处理。立即根据测量表计的读数计算磁通密度的实测值，如果达到标准要求，则正式进入试验状态，否则应停止试验采取相应的处理措施以使磁通密度达到标准要求。（7）确认无异常，磁通密度满足要求后，试验正式开始。（8）试验过程中，观察定子铁芯振动情况，及时检查铁芯有无松动和监听通风槽、定位筋、压紧螺杆、机座内部的异常声响。当出现冒烟、局部发热或严重异常声响、气味时，应切断电源，停止试验。（9）试验过程中,每隔15min记录铁芯各部位温升情况，找出最热点与最冷点。选出较冷处，放置适当数量的酒精温度计。选出较热处，放置酒精温度计。（10）试验过程中，记录铁芯的震动和噪音。（11）试验完毕后，断开试验断路器。（12）试验结束后，检查定子机座与定位筋及各焊缝应无裂纹，螺杆应无松动。
2.试验结果判定。（1）铁芯质量主要判别参数和辅助的铁芯质量判别方法。1）铁芯质量主要判别参数。①铁芯最大温升小于等于25K。②铁芯相同部位温差小于等于15K，定子铁芯与机座的温差小于等于15K。2）辅助的铁芯质量判别方法。定子铁芯比损耗的限值，不得大于定子铁芯硅钢片材料在1.0T、50Hz时的标准比损耗的1.3倍即1.365w/Kg。（2）有助于铁芯叠装质量的相关检查。1）试验前。①记录铁芯穿心螺杆绝缘电阻值。②记录铁芯圆度、螺栓拉紧力、叠簧收缩值、等相关测量数据。2）试验中。①试验过程中无发红、冒烟现象。②定子基座震动正常，测量噪音值。3）试验结束后。①用手触摸铁芯齿部，温升均匀无异常。②铁芯无位移。③穿心螺栓绝缘良好。④定子机组焊缝无开裂现象。⑤复查铁芯压紧螺栓试验后是否存在松动现象。测量叠簧收缩值有无变化。
四、讨论
1.测试电压稳定性的影响。在其他因素不变的情况下，测试激励电压的波动会导致二次侧测量电压的波动，从而改变铁芯中的磁通密度。但是铁芯磁通密度的异常变化会导致铁芯温升趋势的变化，相应的铁芯损耗也会发生不规则的变化。
2.测试准备。在励磁线圈匝数相同的情况下，试验电压高于励磁线圈。但此时励磁电流相对较小，试验电压较低时，励磁电缆的截面小于励磁电缆的截面。试验结果表明，采用高压试验电源时，线路电压降与励磁电压的比例较小，试验结果较为准确。因此，尽量采用较高的测试电压有利于测试结果的准确性。
3.温度测量。由于铁芯的磁化试验，铁芯的最大温升不得超过25K，铁芯之间的最大温差不得超过15K，因此，铁芯温度的测量也是影响铁芯磁化试验精度的重要因素。热电偶测温方法相对简单，测量精度高。但由于热电偶与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡。由于热电偶在试验前的零点安装，接触配合差，数据精度差。同时，受热电偶数量的限制，测温点的选择受到限制，不能充分反映整个核心区的温度变化。红外测温的原理是通过热辐射原理来测量温度。
总之，采用高压电源进行试验时，串联方式较好；采用低压电源进行试验时，并联方式较好。无论是串联还是并联，试验结果都是可行的。
参考文献：
［1］张萍．水轮发电机设计与计算．2019.
［2］王延年．浅谈大型水轮发电机定子磁化试验．2020.