CN105866556A - 一种大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置 - Google Patents

一种大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置，方法包括：将试验电源的输出电压升压至励磁电压，利用可调的补偿电容器来补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量，并通过绕设于定子铁心上的励磁绕组对定子铁心进行励磁，检测流过励磁绕组的电流并通过测量绕组检测的励磁感应电压，将流过励磁绕组的电流、测量绕组输出的感应电压输入铁心损耗仪计算铁心损耗；装置包括升压变压器、补偿电容器、励磁绕组、测量绕组和铁损计算单元。本发明能够大幅减小大型发电机定子铁心损耗测试所需电源的容量、试验装置体积和重量较传统试验装置大幅减小、易于运输和操作、提供的电源容量和质量满足试验要求且不会影响发电厂用电质量。

Description

一种大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置
技术领域
本发明涉及大型发电机定子铁心损耗检测技术，具体涉及一种大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置。
背景技术
大型发电机定子铁心由重达数百吨硅钢片叠装而成，为验证制造、装配后以及检修处理后的发电机铁心是否符合实际要求，需要测量铁心在规定磁密B＝1.4T下的损耗。定子铁损试验试制造厂工序检查中和发电厂的发电机铁心缺陷处理时必不可少的试验项目。发电机定子铁损试验是利用专用的励磁线圈，在铁心内部造成交变的磁通(接近饱和状态)，使铁心产生涡流损耗，温度升高，持续规定时间后利用红外成像仪测量铁心各部分温升，同时利用功率表测量铁心的励磁损耗，计算铁心单位质量的损耗，根据上述两项试验结果按照相关标准判断铁心是否合格。600MW以及以上火电机组、大型水电机组定子铁心损耗测量的视在容量一般在1000kVA左右，试验使用电压近千伏，电流上千安培，功率因数约0.1～0.2。
为了完成大型发电机的定子铁心损耗试验，可以使用大容量的变压器直接进行，这样铁心损耗试验装置不仅体积重量庞大，运输和试验场地的架设难度大，而且单相大负荷、低功率因数电源将造成三相供电电源电压不对称，产生负序分量及零序分量，影响厂用电质量。该试验电源与常规试验电源不通用，试验装置研制投资额大、工期长、经济效益低下且无法增容，难以适应今后发电机市场发展的需要。
为解决上述问题，国内学者提出用厂用6kV变压器(如汽机变)替代发电机铁心损耗试验需要的大容量变压器，虽然可以解决电源问题，但该方法灵活性差，试验接线繁琐，对厂用电的风险较大，且并不适用于所有电厂的实际情况。目前尚未见到有效解决大型发电机铁损试验电源的检测技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够大幅减小大型发电机定子铁心损耗测试所需电源的容量、试验装置体积和重量较传统试验装置大幅减小、易于运输和操作、提供的电源容量和质量满足试验要求且不会影响发电厂用电质量的大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种大型发电机定子铁心损耗检测方法，步骤包括：
1)将试验电源的输出电压升压至铁心损耗检测所需的励磁电压；
2)利用可调的补偿电容器来补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量；
3)通过绕设于定子铁心上的励磁绕组对定子铁心进行励磁，检测流过励磁绕组的电流并通过绕设于定子铁心上的测量绕组检测的励磁感应电压；
4)将流过励磁绕组的电流、测量绕组输出的感应电压输入铁心损耗仪计算铁心损耗。
优选地，所述步骤1)中试验电源的视在功率不小于如式(1)所示的额定视在功率；
S = P 2 + ( Q - Q c ) 2 - - - ( 1 )
式(1)中，S表示额定视在功率，P表示发电机定子铁心损耗的有功功率，Q表示发电机定子铁心损耗中的无功分量，Qc表示补偿电容器补偿的无功分量。
优选地，所述励磁绕组、测量绕组之间的平面角度α为90°。
优选地，所述励磁绕组的线圈匝数为1～2匝，所述测量绕组的线圈匝数为1～2匝。
优选地，所述步骤4)中铁心损耗仪计算铁心损耗的函数表达式如式(2)所示；
式(2)中，P1表示发电机定子铁心损耗，U2表示励磁感应电压，Ie表示流过励磁绕组的电流，为铁心损耗仪中的功率表功率因数。
优选地，所述步骤2)针对励磁电压补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量之前，还包括对励磁电压滤除试验电源中谐波分量的步骤。
本发明还提供一种大型发电机定子铁心损耗检测装置，包括升压变压器、补偿电容器、励磁绕组、测量绕组和铁损计算单元，所述升压变压器的输出端通过补偿电容器和励磁绕组相连，所述励磁绕组、测量绕组分别套设于被检测的发电机定子铁心上，所述铁损计算单元包括电流检测模块、电压检测模块和铁心损耗仪，所述电流检测模块布置于励磁绕组和补偿电容器的连接导线之间以检测流过励磁绕组的电流，所述电压检测模块并联布置于测量绕组的输出端，所述电流检测模块、电压检测模块的输出端分别与铁心损耗仪相连。
优选地，所述补偿电容器为可调电容器。
优选地，所述励磁绕组、测量绕组之间的平面角度α为90°。
优选地，所述升压变压器、补偿电容器之间设有用于滤除试验电源中谐波分量的平波电抗器。
本发明大型发电机定子铁心损耗检测方法具有下述优点：
1、本发明利用补偿电容器来补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量，通过绕设于定子铁心上的励磁绕组对定子铁心进行励磁，检测流过励磁绕组的电流并通过绕设于定子铁心上的测量绕组检测的励磁感应电压，使得铁心损耗试验的电源容量可以减小至传统试验方法和装置容量的1/4～1/5，能够大幅减小大型发电机定子铁心损耗测试所需电源的容量、提供的电源容量和质量满足试验要求且不会影响发电厂用电质量。
2、本发明方法仅包含升压、无功分量补偿器件，以及励磁绕组、测量绕组和铁心损耗仪，使得大型发电机铁心损耗装置整体体积和重量大大减小，易于运输、组装和操作，使得试验装置体积和重量较传统试验装置大幅减小、易于运输和操作。
本发明大型发电机定子铁心损耗检测装置为本发明大型发电机定子铁心损耗检测方法对应的装置，因此同样也具有本发明大型发电机定子铁心损耗检测方法的前述优点，故在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例装置的结构示意图。
图例说明：1、升压变压器；2、补偿电容器；3、励磁绕组；4、测量绕组；5、铁损计算单元；51、电流检测模块；52、电压检测模块；53、铁心损耗仪；6、平波电抗器。
具体实施方式
下文将以一台功率为600MW汽轮发电机的铁损试验计算实例，对本实施例大型发电机定子铁心损耗检测方法及装置进行进一步的详细说明。
I)发电机定子铁心的尺寸如下：
II)定子铁心有效面积的计算。
定子铁心的轴向净长Lef(Lef＝K(L1-L2*n))为544.35cm。
定子铁心有效面积S0(S0＝Lef*hj 1)为28273.539cm2。
定子铁心重量GFe(厂家提供)为146283.5kg。
如图1所示，本实施例大型发电机定子铁心损耗检测方法的步骤包括：
1)将试验电源的输出电压升压至铁心损耗检测所需的励磁电压；
2)利用可调的补偿电容器来补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量；
3)通过绕设于定子铁心上的励磁绕组对定子铁心进行励磁，检测流过励磁绕组的电流并通过绕设于定子铁心上的测量绕组检测的励磁感应电压；
4)将流过励磁绕组的电流、测量绕组输出的感应电压输入铁心损耗仪计算铁心损耗。
本实施例中，步骤1)中试验电源的视在功率不小于如式(1)所示的额定视在功率；
S = P 2 + ( Q - Q c ) 2 - - - ( 1 )
式(1)中，S表示额定视在功率，P表示发电机定子铁心损耗的有功功率，Q表示发电机定子铁心损耗中的无功分量，Qc表示补偿电容器补偿的无功分量。
本实施例中，励磁绕组、测量绕组之间的平面角度α为90°，使得励磁绕组产生的磁通最大限度的垂直穿过测量绕组以减小误差。
本实施例中，励磁绕组的线圈匝数为1～2匝，测量绕组的线圈匝数为1～2匝。例如当施加电压为U1为750V，频率f为50Hz，磁密B为1.2T时，励磁绕组的匝数W1满足下式：
上式中，W1表示励磁绕组的匝数，U1表示励磁绕组上施加电压，f表示磁绕组上施加电压的频率，S0表示定子铁心有效面积，B表示磁密。
本实施例中，步骤4)中铁心损耗仪计算铁心损耗的函数表达式如式(2)所示；
式(2)中，P1表示发电机定子铁心损耗，U2表示励磁感应电压，Ie表示流过励磁绕组的电流，为铁心损耗仪中的功率表功率因数。
本实施例中，步骤2)针对励磁电压补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量之前，还包括对励磁电压滤除试验电源中谐波分量的步骤，以防止试验电源中的高次谐波的干扰以及在发电机铁心中产生的高频损耗。
本实施例中，将励磁绕组的匝数W1校核表示1匝，则可以计算出校核励磁绕组的匝数Wl后得到的磁密B表示1.195T。此时，流过励磁绕组的电流满足下式：
I e = π × D a v × H 0 W 1 = 1217 A
上式中，Ie表示流过励磁绕组的电流，Dav表示外径D1和铁轭hj1之间的差值(D1-hj1＝215.395cm)，W1表示励磁绕组的匝数，H0查B-H曲线后取值1.8。因此，可以确定试验电源的视在功率S为：
S＝U1×Ie＝750×1217＝913.27kVA；
上式中，S为试验电源的视在功率，U1为励磁绕组上施加电压，Ie表示流过励磁绕组的电流。按单位硅钢片铁耗估计为1.5W/kg，则发电机整体铁耗估计数值为P为219.3kW。将试验电源的视在功率S(913.27kVA)、发电机定子铁心损耗的有功功率P(219.3kW)，可计算出发电机定子铁心损耗中的无功分量Q为886.6kVar。
本实施例中采用额定电压为1000V电容器，电容量C＝4800μF作为补偿电容器。运行电压U＝750V电压时补偿电容器可提供容性无功为Qc＝ωCU2＝847.8kVar，其中ω＝2πf，f＝50Hz，f表示磁绕组上施加电压的频率，C为补偿电容器的电容量，U为补偿电容器的运行电压。补偿电容器补偿后由试验电源提供的视在容量为：
为了验证通过电容补偿铁心损耗中的无功分量的功率对比，本实施例中分别对未采用补偿电容、采用补偿电容的工况进行了对比，并分别对、补偿电容补偿的无功功率(kVar)、试验电源提供的无功功率(kVar)、试验电源的视在功率(kVA)进行计算得到结果如表1所示：
表1：通过电容补偿铁心损耗中的无功分量的功率对照表：
参见表1可知，本实施例通过补偿电容器补偿铁心损耗中的无功分量相对于没有加补偿电容器所需的电源容量的0.24倍，能够大幅减小大型发电机定子铁心损耗测试所需电源的容量，提供的电源容量和质量满足试验要求且不会影响发电厂用电质量。
如图2所示，本实施例大型发电机定子铁心损耗检测装置包括升压变压器1、补偿电容器2、励磁绕组3、测量绕组4和铁损计算单元5，升压变压器1的输出端通过补偿电容器2和励磁绕组3相连，励磁绕组3、测量绕组4分别套设于被检测的发电机定子铁心上，铁损计算单元5包括电流检测模块51、电压检测模块52和铁心损耗仪53，电流检测模块51布置于励磁绕组3和补偿电容器2的连接导线之间以检测流过励磁绕组的电流，电压检测模块52并联布置于测量绕组4的输出端，电流检测模块51、电压检测模块52的输出端分别与铁心损耗仪53相连。
本实施例中，升压变压器1用于将厂用380V试验电源铁心损耗检测所需的600V～700V励磁电压。补偿电容器2是本实施例大型发电机定子铁心损耗检测装置中的关键部件，它的主要作用是补偿发电机铁心损耗中的无功分量，这就会使得整个试验电源容量大大减小，补偿电容器2的理论值为发电机定子铁心损耗中的无功分量Q。本实施例中，补偿电容器2为可调电容器，从而可以根据不同容量的发电机的铁心损耗计算后进行调节补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量，使得本实施例的检测装置更具普遍适用性。
本实施例中，励磁绕组3、测量绕组4之间的平面角度α为90°，使得励磁绕组3产生的磁通最大限度的垂直穿过测量绕组4以减小误差。励磁线圈3和测量线圈4使用足够通流面积及绝缘强度的试验电缆制备，匝数一般都为1～2匝。
本实施例中，铁心损耗仪53将测量到的电流和电压参数接入一个低功率因数的功率表中显示铁心损耗的大小。铁心损耗仪53计算铁心损耗的函数表达式如式(2)所示；
式(2)中，P1表示发电机定子铁心损耗，U2表示励磁感应电压，Ie表示流过励磁绕组的电流，为铁心损耗仪中的功率表功率因数。
本实施例中，升压变压器1、补偿电容器2之间设有用于滤除试验电源中谐波分量的平波电抗器6，平波电抗器6的主要作用是滤除试验电源中的谐波分量，以防止试验电源中的高次谐波的干扰以及在发电机铁心中产生的高频损耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型发电机定子铁心损耗检测方法，其特征在于步骤包括：
1)将试验电源的输出电压升压至铁心损耗检测所需的励磁电压；
2)利用可调的补偿电容器来补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量；
3)通过绕设于定子铁心上的励磁绕组对定子铁心进行励磁，检测流过励磁绕组的电流并通过绕设于定子铁心上的测量绕组检测的励磁感应电压；
4)将流过励磁绕组的电流、测量绕组输出的感应电压输入铁心损耗仪计算铁心损耗。
2.根据权利要求1所述的大型发电机定子铁心损耗检测方法，其特征在于，所述步骤1)中试验电源的视在功率不小于如式(1)所示的额定视在功率；
S = P 2 + ( Q - Q c ) 2 - - - ( 1 )
式(1)中，S表示额定视在功率，P表示发电机定子铁心损耗的有功功率，Q表示发电机定子铁心损耗中的无功分量，Qc表示补偿电容器补偿的无功分量。
3.根据权利要求1所述的大型发电机定子铁心损耗检测方法，其特征在于，所述励磁绕组、测量绕组之间的平面角度α为90°。
4.根据权利要求1所述的大型发电机定子铁心损耗检测方法，其特征在于，所述励磁绕组的线圈匝数为1～2匝，所述测量绕组的线圈匝数为1～2匝。
5.根据权利要求1所述的大型发电机定子铁心损耗检测方法，其特征在于，所述步骤4)中铁心损耗仪计算铁心损耗的函数表达式如式(2)所示；
式(2)中，P1表示发电机定子铁心损耗，U2表示励磁感应电压，Ie表示流过励磁绕组的电流，为铁心损耗仪中的功率表功率因数。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的大型发电机定子铁心损耗检测方法，其特征在于，所述步骤2)利用可调的补偿电容器来补偿发电机定子铁心损耗中的无功分量之前，还包括对励磁电压滤除试验电源中谐波分量的步骤。
7.一种大型发电机定子铁心损耗检测装置，其特征在于：包括升压变压器(1)、补偿电容器(2)、励磁绕组(3)、测量绕组(4)和铁损计算单元(5)，所述升压变压器(1)的输出端通过补偿电容器(2)和励磁绕组(3)相连，所述励磁绕组(3)、测量绕组(4)分别套设于被检测的发电机定子铁心上，所述铁损计算单元(5)包括电流检测模块(51)、电压检测模块(52)和铁心损耗仪(53)，所述电流检测模块(51)布置于励磁绕组(3)和补偿电容器(2)的连接导线之间以检测流过励磁绕组的电流，所述电压检测模块(52)并联布置于测量绕组(4)的输出端，所述电流检测模块(51)、电压检测模块(52)的输出端分别与铁心损耗仪(53)相连。
8.根据权利要求7所述的大型发电机定子铁心损耗检测装置，其特征在于：所述补偿电容器(2)为可调电容器。
9.根据权利要求8所述的大型发电机定子铁心损耗检测装置，其特征在于：所述励磁绕组(3)、测量绕组(4)之间的平面角度α为90°。
10.根据权利要求8所述的大型发电机定子铁心损耗检测装置，其特征在于：所述升压变压器(1)、补偿电容器(2)之间设有用于滤除试验电源中谐波分量的平波电抗器(6)。
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