1750MW發(fā)電機(jī)定子鐵心試驗(yàn)方案研究與應(yīng)用分析

林 教，張 峰，孫延旭

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1750MW發(fā)電機(jī)定子鐵心試驗(yàn)方案研究與應(yīng)用分析

林 教，張 峰，孫延旭

（臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，廣東臺(tái)山 529200）

本文分別從傳統(tǒng)鐵損試驗(yàn)、使用TROLLEY手持式小車和使用RIV自動(dòng)小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)三種試驗(yàn)方案，探討適用于1750MW發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的定子鐵芯試驗(yàn)方案。結(jié)合不同ELCID試驗(yàn)方案在1、2號(hào)發(fā)電機(jī)上的實(shí)施和應(yīng)用分析，提出適用于1750MW發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的試驗(yàn)方案，為后續(xù)機(jī)組大修定子鐵芯檢查提供參考。

鐵損試驗(yàn)；ELCID試驗(yàn)；手持式小車；RIV自動(dòng)小車

0 前言

1750MW發(fā)電機(jī)是目前世界上單機(jī)容量最大的汽輪發(fā)電機(jī)，由法國(guó)公司設(shè)計(jì)、國(guó)內(nèi)某制造廠制造。發(fā)電機(jī)為4極半速機(jī)，定子采用三段式結(jié)構(gòu)，分定子中段、兩端端罩，現(xiàn)場(chǎng)就位組裝后焊接成一個(gè)整體。

（1）主要參數(shù)如下：

型號(hào)： TA-1800-83S

視在功率： 1955.6MVA

額定功率： 1750MW

額定電壓： 27 kV

額定電流： 42767A

頻率： 50 Hz

功率因數(shù)： 0.9

效率： 98.9%

額定轉(zhuǎn)速： 1500 r/min

短路比： 0.47

額定氫壓： 6 bar

絕緣等級(jí)： F（溫升按B級(jí)考核）

冷卻方式： 水-氫-氫

（2）定子鐵芯數(shù)據(jù)[1]：

定子鐵芯總長(zhǎng)度：L=8.325m

齒高：h=0.219m

定子鐵芯外徑：D=3.579m

定子鐵芯內(nèi)徑：D=2.270m

通風(fēng)溝數(shù)：=101

通風(fēng)溝寬：=0.003m

定子鐵芯疊壓系數(shù)：=0.97

鐵芯密度：=7.65×103kg/m3

為研究現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)時(shí)定子鐵芯試驗(yàn)檢測(cè)方法，我公司發(fā)電機(jī)項(xiàng)目組分別討論了傳統(tǒng)鐵損試驗(yàn)方案、EL-CID試驗(yàn)方案。由于定子額定電流42767A，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)匹配容量的試驗(yàn)電源，因此不具備進(jìn)行傳統(tǒng)的高強(qiáng)磁通的鐵損試驗(yàn)。最終采用由IRIS公司開(kāi)發(fā)的定子鐵芯EL CID測(cè)試儀器進(jìn)行。

由于1750MW發(fā)電機(jī)機(jī)組容量大，尺寸較國(guó)內(nèi)1150MW核電機(jī)組大，定子鐵芯內(nèi)徑達(dá)2.27m。1號(hào)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，使用常規(guī)的TROLLEY手動(dòng)小車進(jìn)行試驗(yàn)，受限于測(cè)量人員高度，在測(cè)量頂部鐵芯數(shù)據(jù)時(shí)遇到困難，同時(shí)手動(dòng)移動(dòng)小車試驗(yàn)時(shí)耗費(fèi)時(shí)間多，工期長(zhǎng)。因此研究并選購(gòu)一套R(shí)IV自動(dòng)小車在2號(hào)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)時(shí)使用。通過(guò)1、2號(hào)機(jī)試驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用RIV自動(dòng)小車不僅極大地提高了工作效率，節(jié)省了大量的時(shí)間，還克服了由于人工操作的不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)采集遺漏和偏差等問(wèn)題，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

1 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法[2-6]

傳統(tǒng)的鐵損試驗(yàn)是在鐵心上繞上勵(lì)磁線圈，通以大電流，在鐵心中產(chǎn)生周向磁通，要求鐵心中的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或接近運(yùn)行時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以模擬發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的情況。然后每隔一段時(shí)間用紅外熱像設(shè)備探測(cè)定子鐵心的表面溫度找出表面過(guò)熱點(diǎn)。

根據(jù)DL/T596-1996《電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》[7]，勵(lì)磁磁通密度為1T下持續(xù)試驗(yàn)時(shí)間為90min。結(jié)合1750MW發(fā)電機(jī)鐵芯參數(shù)計(jì)算勵(lì)磁電源如下：

定子鐵芯有效長(zhǎng)度：

=(1-b)=7.78134m （取0.97）

定子鐵芯軛部高度：

=（1-2）/2-c=0.4355m

定子鐵芯軛部截面積：

=×=3.38877m2

定子鐵軛的平均直徑：

av=2(1/2-/2)=1-=3.1435m

定子鐵軛重量：

=av≈256.015×103kg

試驗(yàn)時(shí)取磁通密度=1.0T，電源頻率=50Hz，勵(lì)磁線圈匝數(shù)1=2匝時(shí)，根據(jù)公式1=4.44f×1×B×S，可確定勵(lì)磁電壓1＝1504.6138V。

勵(lì)磁電流：

=π×(1-) ×0/1（0:單位長(zhǎng)度安匝數(shù)，取2.3×102）

=3.1415926×3.1435×2.3×102÷2

=1135.69(A)

勵(lì)磁功率：

=×1×10-3

=1135.69×1505.6138×10-3

=1709.91kVA

通過(guò)上述計(jì)算可知，使用傳統(tǒng)的鐵損試驗(yàn)方法，需要足夠大容量的試驗(yàn)電源和調(diào)壓器。綜合考慮該試驗(yàn)電壓高、電流大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)滿足試驗(yàn)容量要求的設(shè)備和電源等因素，最終放棄使用傳統(tǒng)鐵損試驗(yàn)方案。

2 ELCID試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原理[8--11]

ELCID試驗(yàn)使用4%額定勵(lì)磁電壓的環(huán)形線圈對(duì)鐵芯勵(lì)磁并產(chǎn)生環(huán)路磁場(chǎng)，通過(guò)鐵芯表面的Chattock感應(yīng)探頭來(lái)檢測(cè)因故障電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如圖1和2所示。

2.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓的計(jì)算

根據(jù)ELCID試驗(yàn)說(shuō)明書[12]，對(duì)于發(fā)電機(jī)r由下式計(jì)算：

T——每相串聯(lián)匝數(shù)，而每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為2tp；

分布短距系數(shù)，通常發(fā)電機(jī)取0.92；

因此，由探測(cè)繞組測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)4%勵(lì)磁電壓由V= 0.04給出。

1750MW發(fā)電機(jī)額定線電壓27kV，定子96槽，4路并聯(lián)，帶入上述公式計(jì)算得出需施加的勵(lì)磁電壓V= 0.04=42.36V。

圖1 鐵芯橫截面故障電流

圖2 探測(cè)線圈掃描放置位置

2.3 試驗(yàn)方法與分析

試驗(yàn)接線如圖3所示，分別對(duì)定子中部和兩端端部進(jìn)行測(cè)試。

2.3.1 判斷標(biāo)準(zhǔn)[13-15]

ELCID 故障電流的判定是基于長(zhǎng)期試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（4%額定勵(lì)磁時(shí) 100mA等效于LOOP/HFRT測(cè)試5~10°C溫升）。判斷故障電流的三大判據(jù)：

（1）故障電流幅值絕對(duì)值超過(guò)100mA；

（2）相電流與故障電流反相；

（3）相電流隨故障電流增加而增加。

以上三個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)才能判定為故障電流，如圖4所示。

圖3 EL-CID試驗(yàn)接線

圖4 故障電流波形與位置關(guān)系

2.3.2 示例分析

圖5所示為某電廠發(fā)電機(jī)定子第174槽鐵芯的試驗(yàn)波形，a曲線為故障電流波形，b為相電流。從圖中可看出故障電流約-260mA，絕對(duì)值遠(yuǎn)大于100mA，滿足判據(jù)1；相電流與故障電流相反，滿足判據(jù)2；相電流隨故障電流增加而增大，滿足判據(jù)3。因此可以判定該定子存在鐵芯短路情況。進(jìn)行鐵芯修復(fù)后，重新試驗(yàn)波形如圖6所示。從圖中可看出，故障電流不超過(guò)100mA，相電流雖然與故障電流反向，但不滿足判據(jù)3，因此不存在短路情況。

圖5 某定子第174槽故障電流波形圖

圖6 第174槽修復(fù)后試驗(yàn)波形

2.4 1750MW發(fā)電機(jī)鐵芯試驗(yàn)應(yīng)用

2014年8月，1號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行ELCID試驗(yàn)，定子鐵芯直線段最大q軸電流為-69mA，勵(lì)側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為74mA，汽側(cè)勵(lì)側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為61mA，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。對(duì)比出廠前進(jìn)行的試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)明顯偏差。如圖7為摘取定子鐵芯直線段85-96槽波形圖。

如前文所述，1750MW發(fā)電機(jī)容量大，定子膛內(nèi)徑2.27m，在試驗(yàn)前項(xiàng)目組找來(lái)身高約185cm的人員加入試驗(yàn)組，但在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，特別是進(jìn)行定子上部鐵芯試驗(yàn)時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間仰頭操作TROLLEY手持小車，試驗(yàn)進(jìn)展比較緩慢，人員也相對(duì)疲勞，最終完成1號(hào)機(jī)所有鐵芯試驗(yàn)耗時(shí)約2天。

根據(jù)1750MW發(fā)電機(jī)的維修策略，分A、B、C三個(gè)等級(jí)檢修，A、B級(jí)僅進(jìn)行局部檢修，C級(jí)檢修為抽轉(zhuǎn)子大修，時(shí)間周期為6C（10年），工期約30天。在如此緊湊工期內(nèi)，僅1項(xiàng)定子試驗(yàn)就占據(jù)2天工期，不滿足機(jī)組大修排期要求。為此項(xiàng)目組聯(lián)系IRIS公司，采購(gòu)一套自動(dòng)小車（RIV）用于定子鐵芯ELCID試驗(yàn)。

圖7 第85-96槽q軸電流曲線

3 RIV自動(dòng)小車試驗(yàn)方法

3.1 自動(dòng)小車簡(jiǎn)介

RIV自動(dòng)小車裝置由控制單元和遠(yuǎn)程控制檢測(cè)小車組成。遠(yuǎn)程檢測(cè)小車由兩個(gè)牽引驅(qū)動(dòng)單元組成，通過(guò)可鎖定的滑桿連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元以調(diào)整跨度。每個(gè)牽引驅(qū)動(dòng)單元除了履帶之外，還有兩排內(nèi)置的永久性磁鐵。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元都有單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)和齒輪箱。遠(yuǎn)程檢測(cè)小車有內(nèi)置的系統(tǒng)引導(dǎo)它沿鐵齒行進(jìn)。導(dǎo)向系統(tǒng)使用定位于四角的磁性傳感器探測(cè)鐵齒的邊緣，如圖8和圖9所示。

圖8 控制單元

圖9 自動(dòng)小車及測(cè)試探頭

3.2 RIV自動(dòng)小車的應(yīng)用

為研究RIV自動(dòng)小車進(jìn)行定子鐵芯試驗(yàn)時(shí)的可靠性，項(xiàng)目組與IRIS專家進(jìn)行技術(shù)交流，討論自動(dòng)小車可靠性及使用方法。針對(duì)國(guó)內(nèi)核電機(jī)組尚無(wú)使用經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合廠家人員在某核電2號(hào)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，RIV自動(dòng)小車內(nèi)置的永磁鐵可以牢固地吸附在定子鐵芯上；RIV自動(dòng)小車在行進(jìn)過(guò)程中如發(fā)生位置偏移，內(nèi)置的導(dǎo)向系統(tǒng)可以自動(dòng)修復(fù)行進(jìn)方向，保持直線行走。

2015年7月，2號(hào)發(fā)電機(jī)使用RIV自動(dòng)小車裝置進(jìn)行定子鐵芯EL CID試驗(yàn)。定子鐵芯直線段最大q軸電流為35mA，勵(lì)側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為－53mA，汽側(cè)端部階梯狀鐵芯最大q軸電流為－29mA。摘取1-8槽鐵芯波形圖如圖10所示。

為分析試驗(yàn)RIV自動(dòng)小車與TROLLEY手持小車兩種方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，摘取1-15槽鐵芯試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1，剩余81槽結(jié)果差異大致相同。

表1 1-15槽鐵芯試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可看出，相同鐵芯槽號(hào)中，使用RIV自動(dòng)小車測(cè)試得出的最大q軸電流均小于出廠時(shí)使用TROLLEY手動(dòng)小車的測(cè)量數(shù)據(jù)。由此可證明，使用自動(dòng)小車時(shí)，Chattock感應(yīng)探頭所采集的信號(hào)比手動(dòng)掃描時(shí)更加平穩(wěn)、連續(xù)，人為干擾因素較少。通過(guò)分析試驗(yàn)波形表明，使用自動(dòng)小車時(shí)波形尖峰和毛刺較少。因此，使用RIV自動(dòng)小車進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果更加可靠，更能反映定子鐵芯的真實(shí)狀況。

圖10 第1-8槽q軸電流曲線

3.3 問(wèn)題分析及解決

3.3.1 自動(dòng)小車行進(jìn)中會(huì)自動(dòng)停止

使用自動(dòng)小車進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)使用“AUTO”自動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)小車每次正向（NDE-DE）行走4m均自動(dòng)停止，然后通過(guò)人工復(fù)位“FORWARD”鍵才會(huì)繼續(xù)前進(jìn)。

為分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，項(xiàng)目組分別將RIV自動(dòng)小車在不同表面（鐵芯和桌面等）進(jìn)行測(cè)試，使用“AUTO”模式時(shí)，自動(dòng)小車行進(jìn)一段距離后均自動(dòng)停止，但各種表面自動(dòng)停止距離不同。經(jīng)討論分析認(rèn)為，此種現(xiàn)象為RIV在自動(dòng)模式下設(shè)置最大距離。為避免自動(dòng)小車行程編碼器采集的位置信息隨行進(jìn)距離增加導(dǎo)致偏差增大，因此設(shè)計(jì)上在行駛一段距離后必須重新復(fù)位。同時(shí)自動(dòng)小車在不同鐵芯表面運(yùn)動(dòng)，由于摩擦力不同，因此停止距離不同。結(jié)合1750MW發(fā)電機(jī)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，直接用 “FORWARD”向前或“REVERSE”向后行駛，避免此問(wèn)題。

3.3.2 小車偏航問(wèn)題研究與解決

自動(dòng)小車在左側(cè)（勵(lì)端向汽端看）“REVERSE”行駛（DN向NDE行駛）時(shí)，小車均會(huì)向下偏，需要試驗(yàn)人員手動(dòng)糾正小車位置，而其余位置均能保證直線行走。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)及測(cè)試分析，認(rèn)為小車一側(cè)偏航，是由于兩側(cè)驅(qū)動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)速不相同引起的，可調(diào)控制單元“GUIDANCE BALANCE”兩側(cè)驅(qū)動(dòng)傳感器中的微調(diào)按鈕。

另外，為保小車的正常行駛，可采取如下措施：

將距離顯示重置為零。將遠(yuǎn)程檢測(cè)小車在鐵心上行進(jìn)大約1m，檢查控制單元上顯示的距離與實(shí)際行進(jìn)距離是否相符合。將遠(yuǎn)程檢測(cè)小車反向行進(jìn)到起始位置并確定其距離顯示回零。在正向和反向行進(jìn)的過(guò)程中，確保小車兩端都可以輕觸鐵心表面，否則需調(diào)整遠(yuǎn)程檢測(cè)小車的寬度。

在遇到槽楔與定子鐵心內(nèi)表面不在同一平面的時(shí)候，可以選擇機(jī)械導(dǎo)軌片來(lái)改善遠(yuǎn)程檢測(cè)小車在光滑表面的導(dǎo)向。

不同機(jī)組由于定子內(nèi)徑曲度可能不一致時(shí)，自動(dòng)小車每半邊都可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償不同直徑的鐵心的曲度。同時(shí)也可以使用彎曲橫桿來(lái)降低由于大跨度導(dǎo)致的額外高度。

4 結(jié)論

本文分別探討了三種定子鐵芯試驗(yàn)方案上的應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）鐵損試驗(yàn)

使用傳統(tǒng)的鐵損試驗(yàn)方法，能反映出定子鐵芯在額定工況下的溫升值，以及定子鐵芯的實(shí)際狀況，適用于制造廠等具備試驗(yàn)條件的定子鐵芯檢查。而在電廠檢修時(shí)，由于需要足夠大容量的試驗(yàn)電源和調(diào)壓器，現(xiàn)場(chǎng)往往無(wú)滿足要求的試驗(yàn)設(shè)備和電源，因此不具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件。

（2）使用手持式小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)

使用手持式小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果受試驗(yàn)人員操作影響較大，推進(jìn)速度的快慢影響數(shù)據(jù)信號(hào)的采集，容易造成信息采集的遺漏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。結(jié)合1750MW發(fā)電機(jī)定子內(nèi)徑大，定子長(zhǎng)度長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用手持式自動(dòng)小車進(jìn)行試驗(yàn)，不滿足大修工期計(jì)劃要求。

（3）使用RIV自動(dòng)小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)

從前述分析可得，使用RIV自動(dòng)小車進(jìn)行ELCID試驗(yàn)，不僅極大地提高了工作效率，節(jié)省了檢修工期，還克服了由于人工操作的不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)采集遺漏和偏差等問(wèn)題，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

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The Discussion and Application Analysis of 1750MW Generator Stator Core Test

LIN Jiao, ZHANG Feng, SUN Yanxu

( Taishan Nuclear Power Joint Venture Co., Ltd., Taishan 529200, China )

This paper discussed a traditional iron loss test, the use TROLLEY and RIV on ELCID test, and analyzed which test is suitable for 1750MW generator stator core. An optimal test method for 1750MW generator is proposed according to unit 1 and unit 2 practical experience.

iron loss test; ELCID; TROLLEY; RIV

TM311

B

1000-3983(2017)02-0065-06

2016-06-21

林教（1986-），2009 年畢業(yè)于武漢大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)，2010年起參與臺(tái)山核電發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)采購(gòu)管理、發(fā)電機(jī)駐廠監(jiān)造、現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)安裝，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)維修工作，工程師。

審稿人：富立新