盛明珺,王曉蘭,劉守豹,徐 鉻,宋佳駿,胡思宇

(1.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.中國長江電力股份有限公司技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

發(fā)電機(jī)定子鐵心是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，定子鐵心是由硅鋼片疊合組裝成的，由制造和檢修出現(xiàn)的問題，以及運(yùn)行中出現(xiàn)的正常損耗，均可能導(dǎo)致鐵心的片間絕緣損壞，造成短路，在短路區(qū)域形成局部過熱的情況[1-6]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，由定子繞組絕緣破壞帶來的繞組短路故障占發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中故障總數(shù)的30%～40%[7-8]。因此，為了保障運(yùn)行安全，在進(jìn)行交接或預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)均要進(jìn)行定子鐵心損耗試驗(yàn)[9-13]。

傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式是基于工頻大電流激勵(lì)法進(jìn)行的，在定子鐵心上纏繞激勵(lì)線圈，并在線圈中通入工頻電流，激勵(lì)電流大小根據(jù)繞線匝數(shù)有所不同，但是總體來看發(fā)電機(jī)容量越大，需要的激勵(lì)電流越大。此時(shí)，鐵心內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變磁通，鐵心在交變磁通中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，鐵心發(fā)熱，溫度會(huì)快速升高[14-18]。若鐵心中片間絕緣受損或劣化，劣化部分會(huì)產(chǎn)生較大的局部渦流，溫度快速上升，從而找出過熱點(diǎn)[19]。試驗(yàn)時(shí)在鐵心上纏繞測量繞組，測出鐵心中不同時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并根據(jù)測得的勵(lì)磁電流、電壓計(jì)算出鐵心的有功損耗[20-22]。把測量、計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相比較，來判斷定子鐵心的制造、安裝整體質(zhì)量。

由于發(fā)電機(jī)容量越大，需要的勵(lì)磁電流越大，試驗(yàn)時(shí)的繞線工作就變得十分艱難。為了降低發(fā)電機(jī)定子鐵心損耗試驗(yàn)的工作難度，本文提出通過增加激勵(lì)電流頻率提高鐵心感應(yīng)渦流幅值，從而采用異頻小電流取代工頻大電流的替代方案。為了對(duì)該方法的可行性進(jìn)行研究，本文采用有限元仿真的方式，建立鐵心存在缺陷情況下的分析模型，通過對(duì)工頻大電流和異頻小電流下的異常鐵心發(fā)熱情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證了采用異頻小電流在鐵心異常情況下的仿真結(jié)果與工頻大電流存在相似性，論證了采用異頻電流法開展發(fā)電機(jī)定子鐵心損耗試驗(yàn)的可行性。

1 理論分析

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化磁場中感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算公式為

(1)

式中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢；N為線圈匝數(shù)；Φ為磁通量；t為時(shí)間。

假設(shè)磁通量Φ隨著時(shí)間按照正弦規(guī)律變化，即有：

Φ=Φmsinωt

(2)

式中：Φm為主磁通的最大值;ω為角頻率。

將式(2)代入式(1)得到：

e=-NωΦmcosωt

(3)

感應(yīng)電動(dòng)勢e的最大值為

Em=NΦmω

(4)

其有效值為

(5)

式中：f為激勵(lì)電源頻率。

式(5)的近似計(jì)算公式為

E=4.44fNΦm

(6)

Φm的磁路表達(dá)式為

(7)

式中：I為勵(lì)磁電流；Rm為磁路的磁阻。

因此式(6)可改寫為

(8)

在發(fā)電機(jī)定子鐵心中，如果感應(yīng)電流在微小回路的電阻為R，其發(fā)熱量P的計(jì)算式為

(9)

由此可見，采用交變磁場對(duì)定子鐵心進(jìn)行加熱，在試驗(yàn)對(duì)象及空間材料保持不變的前提下，鐵心發(fā)熱量與激勵(lì)線圈匝數(shù)、激勵(lì)電流頻率、激勵(lì)電流幅值的平方成正比。

因此，從理論上講，在保持定子鐵心發(fā)熱量不變的情況下，通過增加勵(lì)磁電流的頻率，可以減小電流幅值，從而減小勵(lì)磁線圈的截面積和質(zhì)量。

2 方案設(shè)計(jì)

圖1 仿真及實(shí)測試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖

根據(jù)相關(guān)理論，設(shè)計(jì)仿真模型，如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)具體說明如下：

(1) 采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell建立鐵心缺陷情況下時(shí)變電磁場仿真模型。

(2) 采用工頻大電流通過激勵(lì)線圈，得到工頻大電流下，異常鐵心的磁通密度分布、渦流分布和發(fā)熱量分布的仿真結(jié)果。

(3) 進(jìn)一步地，增加電流頻率，減小電流幅值，即在激勵(lì)線圈中通入異頻小電流，進(jìn)行仿真及分析。

(4) 設(shè)置結(jié)果觀察線及觀察點(diǎn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行局部放大觀察。

(5) 對(duì)比兩種電流激勵(lì)下的磁通密度、渦流、發(fā)熱分布情況，檢驗(yàn)其一致性和可行性。

(6) 進(jìn)行規(guī)定環(huán)境變量下，工頻試驗(yàn)。

(7) 進(jìn)行規(guī)定環(huán)境變量下，異頻試驗(yàn)。

(8) 對(duì)比鐵心異常情況下兩種激勵(lì)下的電量信息及溫升情況，驗(yàn)證異頻電流開展鐵心損耗試驗(yàn)的可行性。

3 仿真試驗(yàn)及分析

根據(jù)上述方案，進(jìn)行縮比模型建立，進(jìn)一步地進(jìn)行仿真和實(shí)測試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 有限元仿真模型的建立

為了對(duì)鐵心存在缺陷情況下異頻小電流激勵(lì)法與工頻大電流激勵(lì)法的相似性進(jìn)行分析，采用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell建立時(shí)變電磁場仿真模型，對(duì)應(yīng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型

圖2(a)為模型的三維視圖，模型的內(nèi)直徑7 mm，外直徑10 mm，硅鋼片厚度0.5 mm，硅鋼片的片間距離0.2 mm，激勵(lì)線圈直徑0.4 mm，固定鋼構(gòu)厚度為0.2 mm。將缺陷部分放大如圖2(b)所示，鐵心缺陷為硅鋼片間出現(xiàn)短路，其中固定鋼構(gòu)為導(dǎo)電導(dǎo)磁材料，其與硅鋼片導(dǎo)通，連接中間、下層硅鋼片的短路金屬絲為銅質(zhì)圓柱體，半徑為0.01 mm。仿真結(jié)果的觀察面如圖2(c)所示，觀察線位于中間硅鋼片，由于鐵心缺陷情況下場量變化更加劇烈，故將觀察點(diǎn)的數(shù)量設(shè)置為1 000個(gè)。

3.2 仿真結(jié)果

進(jìn)行仿真時(shí)，在激勵(lì)線圈中通過50 Hz、13.68 A的工頻大電流，仿真得到觀察面上的場量分布情況如圖3所示。由圖3可知，中層和下層鐵心在存在短路點(diǎn)的情況下，感應(yīng)電流及發(fā)熱區(qū)域均集中在短路導(dǎo)體與鐵心的連接處。

進(jìn)一步地，為了對(duì)鐵心存在缺陷情況下采用異頻小電流法進(jìn)行測試有效性驗(yàn)證，在激勵(lì)線圈中通入1 000 Hz、1.368 A的異頻小電流，得到觀察面上的場量結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在異頻小電流作用下的磁通密度與工頻大電流時(shí)的磁通密度差異較為明顯，但是渦流、發(fā)熱量分布情況較為類似，均在短路導(dǎo)體與鐵心的連接處出現(xiàn)明顯發(fā)熱區(qū)域。

圖3 鐵心缺陷時(shí)工頻大電流激勵(lì)下的仿真結(jié)果

圖4 鐵心缺陷時(shí)異頻小電流激勵(lì)下的仿真結(jié)果

圖6 渦流分布及其放大顯示

3.3 仿真結(jié)果分析

為了對(duì)兩種情況下的場量分布情況進(jìn)行量化分析，激勵(lì)電流幅值減小后觀測線上場量分布于正常電流下的分布如圖5～圖7所示。圖5為觀察線上磁通密度分布情況；圖6為觀察線上的渦流分布情況，并對(duì)不同區(qū)間的觀察點(diǎn)變化情況進(jìn)行了放大顯示；圖7為觀察線上的發(fā)熱量分布情況，同樣對(duì)不同區(qū)間的觀察點(diǎn)進(jìn)行了放大顯示。

圖5 磁通密度分布

圖7 發(fā)熱量分布及其放大顯示

由圖5～圖7可知，鐵心在短路點(diǎn)渦流分布和發(fā)熱量均發(fā)生畸變，但是從整體分布趨勢來看，缺陷鐵心在通入工頻大電流和異頻小電流的情況下，除了磁通密度有較為明顯的差異外，渦流分布和發(fā)熱量分布均有較好的相似性。

3.4 試驗(yàn)及分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證采用異頻電流法開展定子鐵心損耗的可行性，開展試驗(yàn)測試。試驗(yàn)采用的具體參數(shù)如表1所示，發(fā)電機(jī)型號(hào)為M2BAX100LA4。

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)表

圖8 測試設(shè)備及儀器

主要測試設(shè)備與儀器如圖8所示。為模擬鐵心異常情況，采用刀片將定子鐵心端部的漆膜刮掉，通過焊錫將硅鋼片人為短路，制造故障點(diǎn)。

試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)室溫度24 ℃、濕度35%。在1.4 T磁場強(qiáng)度的情況下，激勵(lì)線圈30匝，開展該發(fā)電機(jī)定子鐵心損耗試驗(yàn)工頻激勵(lì)電壓為4.2 V，激勵(lì)電流為7.3 A。為了加快試驗(yàn)，將激勵(lì)電壓升高至20.4 V，激勵(lì)電流22.0 A，發(fā)熱有功功率為148.3 W。

試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。在定子鐵心吸收有功功率相同的情況下，故障點(diǎn)與其他區(qū)域的溫差明顯，且這種差異在通電之初就表現(xiàn)出來。不同頻率下持續(xù)通電15 min后的熱成像圖片如圖9所示。由圖9可知，在定子鐵心吸收有功功率相同和頻率不同時(shí)，最高溫度點(diǎn)均位于人為制造的缺陷點(diǎn)處，表明采用異頻電流激勵(lì)法對(duì)于定子鐵心短路缺陷點(diǎn)位的檢測有效。

4 結(jié) 語

(1) 保持定子鐵心發(fā)熱量不變的情況下，通過增加勵(lì)磁電流的頻率，可以減小電流幅值，從而減小勵(lì)磁線圈的截面積和質(zhì)量。

(2) 存在短路點(diǎn)時(shí)，在激勵(lì)線圈中通入工頻大電流和異頻小電流，均會(huì)在短路導(dǎo)體與鐵心的連接處集中出現(xiàn)感應(yīng)電流及發(fā)熱區(qū)。

表2 鐵心異常時(shí)工頻激勵(lì)下電特征參數(shù)及溫升情況

表3 鐵心異常時(shí)300 Hz激勵(lì)下電特征參數(shù)及溫升情況

圖9 鐵心異常情況下兩種激勵(lì)電流15 min熱成像圖

(3) 在鐵心存在短路缺陷的情況下，采用異頻小電流法開展發(fā)電機(jī)定子鐵心損耗試驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC鐵心發(fā)熱分布與工頻大電流激勵(lì)時(shí)除了磁通密度分布存在明顯差異外，在渦流分布和發(fā)熱量分布上基本一致，理論上證明了異頻小電流對(duì)工頻大電流的可替代性。

(4) 在定子鐵心吸收有功功率相同的情況下，故障點(diǎn)與其他區(qū)域的溫差明顯，且這種差異在通電之初就表現(xiàn)出來。在頻率不同時(shí)，最高溫度點(diǎn)均位于人為制造的缺陷點(diǎn)處，采用異頻電流激勵(lì)法對(duì)于定子鐵心短路缺陷點(diǎn)位的檢測效果確切。