1、 10KV 电源铁损试验的应用与分析郑元吉 王大勇 【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 1 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
2、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，涡流损失就会增加，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，定子铁芯必须进行磁化试验，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 333300KVA 319600KW额定电压 18KV 18KV额定电流 10691A 10662A额定功率因数 0.9（超前） 0.975
3、（滞后）额定转速 500r/min 500r/min额定频率 50HZ 50HZ额定励磁电流 2010A 1780A额定励磁电压 262V /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标准铁损的 1.3 倍，最高温升不超过25K，最大温差不超过 15K。4 试验接线及有关参数计算4.1 试验接线bL1D2ha图 中 ， W1-测 量 绕 组 2-励 磁 绕 组定 子 铁 芯 铁 损 试 验10KVfUADLCTcW2W1PCTbU4.2 试验参数的计算(1) 定子铁芯有效长度：L=
4、K（L1-nb） 定子铁芯扼部高度：h= -ha2D1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的取 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)；615cmL= K(L1-nb)=0.95(280-0.660)=231.8cmh= -ha= -20=47.5cm2D12480615S= Lh=231.847.5=11010.5cm2(即为 1.10105m)(2) 励
5、磁线圈匝数 W1W1=4.fSBU1(U104)式中 U1励磁线圈电源电压（V） ；10000V f试验电源频率（Hz） ；50HzB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（m 2）W1= = =40.9(匝)4.fBU11.0541根据计算励磁线圈为 40.9 匝, 电流为 95.8 安，实际电流将比此电流要小,选取整数 40匝。若励磁线圈电源电压 U1 取 0.4KV，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。 (U104)(3) 励磁线圈的电流 IeIe= W1 DavHo式中定子铁扼平均直径
6、 Dav=D1-hDav 定子铁轭的平均直径（cm） ；567.5cmH0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（经验值）Ie= = =95.8AW1 DavHo402.15673.HO-励磁磁动势（经验值） w1-励磁线圈匝数（计算值）现我们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
7、）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*10
8、3*40）=72A采用的方法不同，励磁电流个不相同，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。分析原因，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。相比较新方法而言，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， 若能对 H0单位长度安匝数，磁密在 10000 高斯时取 1.5A/匝厘米是比较合适的。（4）励磁线圈的功率 PP= U1I
9、10-3=1000095.810-3=958KVA(5) 测量线圈匝数 W2W2 W1U2式中 U1励磁线圈的电压（V） ，测量线圈 W2 为 1 匝；U2测量线圈的电压（V） ，应使其在电压表量程的（ ）范围内，故考虑取 U213 34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 7.810 3kg/m3G=DavSD=3.145.6751.101057.810 3=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）
10、、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。依据激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激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：试验
11、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）温度计的布置准备 20 只酒精温度计，先在铁芯齿部圆周上、中、下磁轭部均匀布置，并用石棉布封住，防止散热影响测量的准确
12、性，再将温度计编号，校核温度指示的正确性。主要采用定子铁芯叠片时装入槽底、机座、铁芯等处的热电偶与热电偶测试台，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 1序号 名称 规格
13、型号 单位 数量 生产厂家11 单相高压电缆 UG-10KV35mm2 米 45012 酒精温度计 0-150 只 2013 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，并记录铁芯的各温度计的初始温度和室温。(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W1Sf4.U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，
14、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，放置适当数量的酒精温度计，再过 10 分钟后，找出较热处，在此装上酒精温度计，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，也应放置酒精温度计。(4)试验共持续进行 90 分钟，每 10 分钟读取一次各温度计及仪表的指示值。(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
15、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酒精温度计，记录初始温度。定子铁芯应接地，避免试验时烧坏铁芯。(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)定子铁芯需对地绝缘，必须用截面不小于 50 2的导线将铁芯接地，试验现场应装设遮拦。(4)测量绕组中的电流很小，可选择较细
16、2.5 2的绝缘良好的导线。(5)不准使用水银温度计。因为水银在交变磁场作用下要产生涡流损失，使温度计读数产生偏高的误差，更重要的是温度计一旦破损，水银将流入铁芯中引起铁芯短路或其他故障。同时放置温度计时，应使测温端处于最低位置并紧贴被测点，测点应用石棉绒或石棉泥保温。(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)若试验场地处于通风口，应设法遮挡通风，以免冷风影响试验的准确性。(8)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
17、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)1 21:05 49.99 10.13 43.84 251.16 196.00 0.3712 21:15 50.00 10.21 44.16 251.06 188.00 0.3703 21:25 50.00 10.27 44.44 251.54 188.00 0.3714 21:35 49.97 10.22 44.80 251.16 188.00 0.3715 21:45 50.00 10.21 45.20 251.48 193.80 0.3716 21:55 49.
18、98 10.22 45.48 251.16 196.04 0.3727 22:05 49.99 10.22 45.64 250.80 197.68 0.3728 22:15 50.01 10.21 45.84 250.20 197.88 0.3739 22:25 50.01 10.20 46.12 250.78 200.76 0.37510 22:35 50.00 10.21 46.44 250.30 201.64 0.377表 3（2）铁芯温度记录铁芯温度以温度巡检仪测量为主，红外线测温仪监视其他部位温度，温升计算以温度巡检仪计读数为准，共计 12 点，记录值见下表：温度巡检仪温度测量记录（
19、单位：） 环境温度：18序 时间 温号 21:05 21:15 21:25 21:35 21:45 21:55 22:05 22:15 22:25 22:35 升1 16.3 16.8 17.1 17.5 17.6 18.2 18.9 19.0 19.4 19.8 3.52 18.3 18.5 18.7 19.2 19.5 20.1 20.6 21.2 21.7 22.3 4.03 18.3 18.7 18.8 19.3 19.6 20.2 20.7 21.3 22.0 22.6 4.34 18.3 18.6 18.9 19.1 19.6 20.1 20.7 21.3 21.9 22.6 4.
20、35 18.0 18.4 18.6 18.9 19.4 19.9 20.5 21.1 21.7 22.2 4.26 16.5 16.7 17.4 17.8 18.2 18.8 19.5 20.4 21.1 21.9 5.47 16.4 17.8 17.2 17.7 18.1 18.6 19.1 20.0 20.6 21.3 4.98 16.4 16.6 16.7 17.1 17.4 17.8 18.3 18.9 19.4 20.0 3.69 16.6 16.6 16.9 17.2 17.5 18.1 18.5 19.1 19.6 20.3 3.710 18.3 18.8 18.9 19.2 1
21、9.7 20.2 20.6 21.1 21.9 22.4 4.111 16.1 16.3 16.3 16.7 19.9 17.4 17.7 18.2 18.6 19.2 3.112 16.4 16.6 16.7 17.1 17.3 17.9 18.4 18.9 19.5 20.1 3.7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
22、 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 时间 磁通密 单位铁损 铁芯最大温升() 最大齿温差()(w/
23、kg)号 (min)度(T)换算前换算后 换算前 换算后 换算前 换算后1 21:051.0265 1.281 1.2162 21:151.0261 1.228 1.1663 21:251.0280 1.228 1.1624 21:351.0265 1.228 1.1655 21:451.0278 1.266 1.1986 21:551.0265 1.281 1.2167 22:051.0250 1.292 1.2308 22:151.0226 1.293 1.2369 22:251.0249 1.312 1.24910 22:351.0230 1.318 1.2595.4 5.12 1.2
24、1.14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 1.259w/kg，在国际允许范围之内。实测铁芯最大温升为 5.4，换算至 1T 时为 5.12,90 分钟时的最大齿温差实测为 1.2，换算至 1T 时为 1.14。9 试验结论（1） 试验标准按照标准要求，铁损试验合格的三相指标为：单位铁损（换算至 1T（特斯拉）时） 1.495w/kg铁芯最大温升（换算至 1T（特斯拉）时） 25最大齿温差（换算至 1T（特斯拉）时） 15（2）试验结果从表 5 可以看出单位铁损（换算至 1T（特斯拉）时）最大值为：1.259w/kg 。 铁芯最大温升（换算至 1T（特斯拉）时）为 ：5.12 。 最大齿温差（换算至 1T（特斯拉）时）为：1.14。（3）试验结论：三相试验指标合乎规范要求，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，定子铁损试验合格，铁芯叠装的质量合格。
