西龙池定子铁损试验方法与步骤.doc

西龙池定子铁损试验方法与步骤 郑元吉1 王大勇2 王效安3 张建华4 （中国水利水电第三工程有限公司）【摘要】：定子铁损试验是检验定子铁芯装配质量的重要手段，也是检验铁芯自身绝缘性能的重要工序，其基本方法是在定子铁芯上缠绕若干个励磁绕组，将交流电流通入绕组内，此电流在定子铁芯中产生磁场，同时产生涡流和磁滞损耗，使铁芯发热，测量铁芯总的有功损耗与温度，计算出单位重量铁芯损耗与温升，从而判别铁芯叠装的质量。【关键词】：定子铁损 励磁电压 励磁电流 磁通密度 Xilongchi Stator Iron Loss Test methods and procedures ZHENG Yuan-ji1,WANG Da-yong2,WANG Xiao-an3,ZHANG Jian-hua4(Sinohydro Engineering Bureau 3 Co.; Ltd.;)abstract :Stator Iron Loss Test is an important means to test the quality of the stator core assembly and the important processes of stator core to test self-insulation properties.The basic approach is wound around the stator core of a number of field winding,then flow alternating current into the winding,the current will generated the magnetic field in the stator core and also generated eddy current and hysteresis loss,making the stator core fever.Measuring the total power loss and the core temperature, then calculate the core loss and temperature per unit weight,that discriminant the quality of the stacked iron core.key words: Stator Iron Loss Excitation voltage Excitation current Magnetic flux density1 前言定子铁损试验是检验定子铁芯装配质量的重要手段，也是检验铁芯自身绝缘性能的重要工序，其基本方法是在定子铁芯上缠绕若干个励磁绕组，将交流电流通入绕组内，此电流在定子铁芯中产生磁场，同时产生涡流和磁滞损耗，使铁芯发热，测量铁芯总的有功损耗与温度，计算出单位重量铁芯损耗与温升，从而判别铁芯叠装的质量。如果铁芯绝缘不好或铁芯装配质量不佳，当铁芯通过交变磁通时，涡流损耗就会增加，造成局部过热，加速铁芯绝缘和线棒绝缘老化，严重时将造成铁芯绝缘烧伤或线棒击穿事故。因此大型水轮发电机定子在现场叠装后，定子铁芯必须进行铁损试验，通过测定温升及单位铁损的方法检查叠片质量。 2 发电机相关数据发电机电动机发电机型号SPEL.IEC/60034-1额定容量333300KVA319600KW额定电压18KV18KV额定电流10691A10662A额定功率因数0.9（滞后）0.975（超前）额定转速500r/min500r/min额定频率50HZ50HZ额定励磁电流2010A1780A额定励磁电压262V262V 表13 试验标准根据国标规定以及厂家铁损试验守则，铁损试验采用0.8-1.0特拉斯的磁通密度，持续时间为90分钟。试验合格标准：实测单位铁损不大于1.495w/kg，铁芯最高温升不超过25，铁心相互间最大温差不超过15。4 试验接线及有关参数计算4.1 试验接线 4.2 试验参数的计算(1) 定子铁芯有效长度：L=K（L1-nb） 定子铁芯扼部高度：h=-ha定子铁芯轭部截面积：S=Lh 式中 K定子铁芯填充系数，硅钢片片间用漆绝缘取0.930.95，K取0.95 L1定子铁芯总长(cm)；280cm n定子铁芯通风沟数; 60 b定子铁芯通风沟宽(cm)；0.6cm D2定子铁芯内径(cm)；480cm ha定子铁芯齿高(cm)；20cm D1定子铁芯外径(cm)；615cm L= K(L1-nb)=0.95(280-0.660)=231.8cm h=-ha=-20=47.5cm S= Lh=231.847.5=11010.5cm2(即为1.10105m)(2) 励磁线圈匝数W1W1=式中 U1励磁线圈电源电压（V）；10000V 若励磁线圈电源电压U1取400V，经过计算，W1=1.64匝，不便于励磁线圈在定子铁芯上均匀缠绕，故我们将励磁线圈电源电压U1取为10000V。f试验电源频率（Hz）；50Hz B试验时铁芯轭部磁通密度；1T（理论数值） S定子铁芯轭部截面（m2）W1=40.9(匝)根据计算励磁线圈为40.9匝, 电流为95.8安，因实际电流比计算电流要小,故励磁线圈选取整数40匝。(3) 励磁线圈的电流IeIe=式中定子铁扼平均直径Dav=D1-h Dav 定子铁轭的平均直径（cm）；567.5cm H0单位长度安匝数，磁通密度在1T时取2.152.3安匝/厘米； H0取2.15安匝/厘米（经验值）Ie=95.8AHO-励磁磁动势（经验值） w1-励磁线圈匝数（计算值）现为大家提供两种计算励磁线圈电流Ie的新方法供大家参考： 先计算励磁线圈电抗Xc ，在计算励磁电流Ie：Xc=o*r*F*W1S/RavIe=U1/Xc U1-励磁电压(v) Xc-励磁线圈的电抗() o-真空磁导率r-相对磁导率 F电源频率(HZ) S-定子铁芯轭部截面(m)Rav-铁扼平均半径（m）故Ie= U1* Rav/o*r*F*W1*S=10000*2.8375/（12.6*10-7*4.91*103*50*40*1.10105）=52.1A 使用欧姆定律=F/Rm,先求出磁动势F，在用公式F/W1计算出IeF=B*S*Rm=B*S*3.14*Dav/(S*o*r)=B*3.14* Dav/o*rIe= F/W1式中B-磁通密度（T），S-铁芯扼部截面积(m)，o-真空磁导率r-相对磁导率，Dav -铁扼平均直径（m），F-磁动势（安匝）。故Ie= B*3.14* Dav /o*r* W1 =1*3.14*5.675/（12.6*10-7*4.91*103*40）=72A采用的计算方法不同，励磁电流也不相同，而且差别不小，单从方法上来讲，我认为新方法更严谨，至少它没有使用经验值参与计算，且新方法算出的结果更接近实际数值;传统方法计算简单，但由于是使用了经验值，误差过大，用来确定电源容量浪费太大。分析励磁电流不同的原因，可能是叠装质量的差异造成磁导率、磁通密度不尽相同,我们计算出的励磁匝数是个小数，实际只能是个整数，这必然会带来磁通密度的变化，也加重了磁导率的变化,磁导率下降，励磁电流就增加；磁导率上升，励磁电流就下降。若能在磁密为10000高斯时H0取1.5A/匝厘米是比较合适的。（4）励磁线圈的功率PP= U1I10-3=1000095.810-3=958KVA（取容量不小于958KVA的电力变压器）(5) 测量线圈匝数W2 W2式中 U1励磁线圈的电压（V）； U2测量线圈的电压（V），应使其在电压表量程的（）范围内，测量线圈W2为1匝,故考虑取U2为300V以下；(6) 定子铁芯有效重量计算G=DavSD（密度）式中 D定子铁芯密度；7.8103kg/m3 G=DavSD=3.145.6751.101057.8103=153037.3 Kg5 试验设备的选择(1)试验电源容量选用根据三菱提供的发电机定子结构尺寸，拟选用10KV试验电压、2#厂用高压变压器（容量5000KVA满足试验要求）、10KV厂用电系统段=S03+AK314断路器为试验开关。(2)励磁线圈匝数和截面面积根据计算励磁线圈为40.9匝,选取整数40匝,励磁线圈均匀缠绕在定子铁芯上。依据励磁线圈电缆截面积每平方毫米铜线电流密度不大于3安培的原则，计算励磁线圈电流为95.8安，实际电流将比此电流要小,我们采用截面积为35mm2的10KV高等级绝缘软线。(3)缠绕测量线圈测量线圈拟选用1根2.5mm橡套绝缘铜芯软电缆,采用同样的绕制方法在定子铁芯两励磁绕组区域中间位置缠绕1圈，线圈紧放槽底，包绕定子有效铁芯，不应包括整个机座，并使励磁绕组和测量绕组互相垂直。（4）试验前的检查检查所有铁芯螺栓均在规定的紧固力矩下，全面检查机座和铁芯通风槽沟内、上下端部等处有无残留金属物件，清扫定子各部位，清理现场，并用50mm裸铜线将定子铁芯与接地网可靠地连接。（5）仪器、仪表连接按照试验接线图连接仪表、电源，其铁芯内的损耗用瓦特表测量，瓦特表的电流线圈接至电流互感器上，瓦特表的电压线圈接到测量线圈上，并检查接线正确性，特别注意测量仪表与线圈的极性应正确。全部连线完毕后，用500V兆欧表测量励磁绕组、测量绕组的回路绝缘电阻，其值应不小于1M。（6）热电偶测温点的布置借鉴日本做该项试验的新方法,我们采用将热电偶在铁心齿部上、中、下三层均匀布置，同时将其热电偶测温点按顺序编号并与热电偶测试台相连，测量铁芯的温度。（7）电气试验设备配置表序号名称规格型号单位数量生产厂家1频率表0-100Hz台12油开关10KV台13测温枪红外线台24电流表T19-A台2上海电表厂5电流互感器HL1台2哈尔滨电表仪器厂6电压互感器GDZ-10 台1沈阳互感器厂7电压表T19-V台1上海电表厂8单相功率表D26-W台1上海电表厂9数字万用表台210钳型电流表200A台111单相高压电缆UG-10KV-35mm2米45012热电偶测试平台DR230台1横河电机株式会社13绝缘材料若干14电工工具套215兆欧表2500V只2 表26 试验步骤 (1)接通电源前，操作人员、记录人员、监视人员固定专人专位，并记录铁芯各测温点的初始温度和室温。(2)第一次合励磁电源总开关，调整励磁线圈电压：由此来控制测量线圈端电压，使之保持在计算的测量线圈感应电压值上；根据测量表计的读数,按公式B=计算磁通密度的实测值，其值应在1T（特斯拉）左右，但最低不应低于0.9T，否则应改变励磁绕组的匝数；同时观察定子铁芯振动情况，全面的检查定子铁芯有无冒烟、火花、严重异常响声情况，如上述情况任意一项达不到规范要求，则立即停电检查原因。(3)再次合上电源开关，铁损试验开始10分钟后，用红外线点温计测量或用手摸定子铁芯各部温度，选出较冷处，放置适当数量的热电偶传感器，再过10分钟后，找出较热处，在此装上热电偶传感器，然后再用红外线点温计检查各处发热情况，如发现还有其它过热点，也应放置热电偶传感器。(4)试验共持续进行90分钟，每10分钟读取一次热电偶测试平台的温度数值及各仪表的指示值。(5)在试验过程中，注意监听定子的振动声音，发现异常时应查明部位和原因。（6）90min的试验正常后，断开电源，检查机座与铁芯各机械部分如机座环板及加强筋焊缝、拉紧螺杆、定位筋焊缝、上下齿压板、通风沟小工字钢等无异常现象。7 铁损试验注意事项(1)缠绕励磁线圈和测量线圈，在定子铁芯锐、直角部分加垫绝缘保护层，防止励磁电缆破损，以保证电缆绝缘；接入各种测量表计，在铁芯轭部、齿部放置适当数量的热电偶传感器，在热电偶测试平台上记录初始温度。(2)励磁绕组不能用金属外皮导线或铠装电缆，必须用绝缘良好的软导线，以免划坏铁芯或因绝缘不良对地短路烧坏铁芯；励磁绕组缠绕不能太集中，以免影响该处铁芯的正常温升。(3)必须用截面不小于502的导线将定子铁芯接地，避免试验时烧坏铁芯，试验现场装设遮拦。(4)因测量绕组中的电流很小，可选择较细2.52绝缘良好的导线。(5)放置热电偶传感器时，应紧贴被测点，且测点应用石棉绒保温，以免冷风影响试验的准确性。(6)试验时电压较高较大，试验电源应采用10KV真空断路器开关控制，并且保护良好。 (7)试验中，定子膛内不得存放金属物品；检查膛内各部分温度时，应穿绝缘鞋，不得用双手直接接触铁芯，以防触电，不能随身携带金属物件，以免落入铁芯中。8 试验数据记录（1） 铁损试验电气参数记录序号时间（min)频率（HZ)励磁电压（KV)励磁电流（A)感应电压（V）功率（KW）功率因数(COS)121:0549.9910.1343.84251.16196.000.371221:1550.0010.2144.16251.06188.000.370321:2550.0010.2744.44251.54188.000.371421:3549.9710.2244.80251.16188.000.371521:4550.0010.2145.20251.48193.800.371621:5549.9810.2245.48251.16196.040.372722:0549.9910.2245.64250.80197.680.372822:1550.0110.2145.84250.20197.880.373922:2550.0110.2046.12250.78200.760.3751022:3550.0010.2146.44250.30201.640.377 表3（2）铁芯温度记录铁芯温度以热电偶测试平台测量温度为主，红外线测温仪监视其他部位温度，温升计算以热电偶测试平台测量读数为准，共计12点，记录值见下表：热电偶测试平台温度测量记录（单位：） 环境温度：18序号时间温升21:0521:1521:2521:3521:4521:5522:0522:1522:2522:35116.316.817.117.517.618.218.919.019.419.83.5218.318.518.719.219.520.120.621.221.722.34.0318.318.718.819.319.620.220.721.322.022.64.3418.318.618.919.119.620.120.721.321.922.64.3518.018.418.618.919.419.920.521.121.722.24.2616.516.717.417.818.218.819.520.421.121.95.4716.417.817.217.718.118.619.120.020.621.34.9816.416.616.717.117.417.818.318.919.420.03.6916.616.616.917.217.518.118.519.119.620.33.71018.318.818.919.219.720.220.621.121.922.44.11116.116.316.316.719.917.417.718.218.619.23.11216.416.616.717.117.317.918.418.919.520.13.7表4（3）试验数据换算与分析 试验数据换算有关参数 铁轭面积S= Lh S=1.10105m2 铁轭重量G=DavSD（密度） G=153037.3kg 铁轭直径Dav=D1-h Dav=567.5cm 磁通密度B B=1T 标准铁耗PFe1 PFe=1.15w 单位铁损PFe1 不大于标准值的1.3倍，即1.495w/kg就符合规范要求 数据换算将所测数据进行计算，得出各点所对应的磁通密度及单位铁损.根据公式：定子铁芯磁轭部单位铁损PFe=（PFe/G）（1/B） 单位（w/kg）PFe-功率表W的测量值，即实际总铁损(w) G-铁轭重量（kg） B-试验时铁芯轭部磁通密度（T）最高齿温T1=(T1-T2) （1/B） 单位（）T1最高齿温（） T2最低齿温（）铁芯最高温升T2=(T4-T3) （1/B） 单位（）T4最高齿温或铁芯温度（） T3铁芯初温（）再将其换算至1T（特斯拉），结果如下表：铁损试验数据换算表：序 号时间(min)磁通密度(T)单位铁损(w/kg)铁芯最大温升()最大齿温差()换算前换算后换算前换算后换算前换算后121:051.02651.2811.2165.45.121.21.14221:151.02611.2281.166321:251.02801.2281.162421:351.02651.2281.165521:451.02781.2661.198621:551.02651.2811.216722:051.02501.2921.230822:151.02261.2931.236922:251.02491.3121.2491022:351.02301.3181.259 表5 试验数据分析 试验中最小励磁电流为43.84A，最大励磁电流为46.44A。试验前空载电压为10KV，试验中最高励磁电压为10.27KV，最低为10.13KV。实际磁通密度在1.0226-1.0280 T，磁通满足国际要求1T（特斯拉）。单位铁损实测值大于1w/kg，换算至1T最大为