匝間沖擊試驗在發(fā)電機(jī)磁極線圈絕緣缺陷檢測中的運(yùn)用

引言

水輪發(fā)電機(jī)組磁極線圈絕緣水平對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有至關(guān)重要的影響,磁極絕緣不合格會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時磁場不平衡,振擺超標(biāo),嚴(yán)重時會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸瓦溫度過高甚至燒瓦,因此,有效的磁極線圈絕緣檢測手段對于保證產(chǎn)品質(zhì)量,確保水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。

埃塞俄比亞某水電樞紐工程主體包括大壩、引水隧洞、地下廠房及戶外式開關(guān)站,安裝3臺額定容量85+M的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,其發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如下:

發(fā)電機(jī)型號:ws85-14/5F00;

額定功率:85+M;

額定電流:4083.7A;

額定功率因數(shù):0.85（滯后）;

額定勵磁電壓:240V;

額定勵磁電流:970A;

額定轉(zhuǎn)速:428.6r/min;

額定頻率:50Hz。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝方式采取現(xiàn)場磁輒疊片,然后掛裝磁極的方式,磁極在廠內(nèi)生產(chǎn)完成。

首臺發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在安裝過程中發(fā)生如下問題:（1）磁極掛裝前試驗,交流阻抗不合格,現(xiàn)場修復(fù)處理后合格。（2）磁極掛裝后在打緊磁極鍵不裝磁極間撐塊、打緊磁極鍵安裝撐塊、撐塊安裝引線聯(lián)接多個狀態(tài)下進(jìn)行磁極試驗,均出現(xiàn)交流阻抗不合格現(xiàn)象,屢次修復(fù)后試驗結(jié)果仍不穩(wěn)定。

1磁極圖紙、制造工藝及結(jié)構(gòu)說明

本項目發(fā)電機(jī)磁極線圈由異形銅排自上而下順時針方向連續(xù)繞49匝（有效匝數(shù)）而成,每匝間墊3層0.04mm厚的s級絕緣玻璃坯布,通過加熱,在液壓機(jī)上對磁極線圈進(jìn)行加壓,使絕緣膠軟化充分流動,填充銅排匝間間隙。在保溫保壓條件下,絕緣膠逐漸固化,最后絕緣厚度在0.23～0.35mm,銅排截面如圖0所示。另外為了確保在機(jī)組運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,需要在相鄰磁極間安裝V型撐塊用于支撐磁極,為了防止撐塊在機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生位移,需要在磁極線圈上加工缺口用于撐塊固定,加工示意如圖2所示,在磁極匝間絕緣熱壓完成后,采用锽銷方法加工撐塊安裝所需缺口。

2磁極常規(guī)試驗及結(jié)果分析

磁極開箱后,安裝人員發(fā)現(xiàn)磁極加工工藝較差,表面毛刺較多,因此在掛裝前對磁極表面及匝間縫隙進(jìn)行了清掃,隨后進(jìn)行交流阻抗測試,試驗結(jié)果如表0所示。

圖1磁極銅排截面圖

圖2磁極線圈缺口加工示意圖

表1交流阻抗試驗結(jié)果

注:每個磁極通入0A工頻電流,記錄磁極兩端電壓值.

根據(jù)規(guī)范要求,單個磁極阻抗值與平均值偏差不得大于±5%,從表0數(shù)據(jù)看,各磁極間交流阻抗相差很大,尤其是00號磁極,無法滿足安裝要求?，F(xiàn)場對磁極線圈進(jìn)行了仔細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)磁極線圈加工面存在較明顯的匝間短路現(xiàn)象,如圖3所示。除00號磁極外,其余磁極也不同程度存在該現(xiàn)象。現(xiàn)場按廠家要求對磁極表面進(jìn)行處理后,試驗合格,但是在磁極掛裝、打緊磁極鍵、安裝磁極間撐塊等多步工序后進(jìn)行試驗檢測,幾乎每一道安裝工序完成后檢測均有磁極線圈試驗結(jié)果不合格問題,且無一定規(guī)律?，F(xiàn)場認(rèn)為磁極匝間絕緣存在較大缺陷。

圖3磁極線圈加工面

3匝間沖擊試驗方法、結(jié)果

為了最終確定磁極線圈匝間絕緣情況,現(xiàn)場采用TH-2883型脈沖式線圈測試儀對磁極線圈匝間絕緣進(jìn)行檢測,其原理是對被測線圈繞組和標(biāo)準(zhǔn)線圈繞組施加相同的脈沖電壓,比較兩者瞬態(tài)波形,以判斷被測試?yán)@組件的優(yōu)劣。瞬態(tài)波形也就是線圈內(nèi)發(fā)生的衰減振蕩波形,可同時判斷該繞組的電感、品質(zhì)因素O值、繞組的圈數(shù)差、匝間層間短路。典型的線圈自激衰減震蕩波形如圖4所示。

圖4典型的線圈自激衰減振蕩波形

由于現(xiàn)場無法肯定哪只線圈不存在匝間短路,因此無標(biāo)準(zhǔn)線圈進(jìn)行對比,但根據(jù)品質(zhì)因數(shù)計算公式,其中L為線圈電感,RL為電感電阻,o為頻率。L越大,則品質(zhì)因數(shù)O越大,能量衰減速度越慢。而線圈電感與匝數(shù)的平方成正比,因此可以推斷存在匝間短路的線圈,振蕩波形衰減較快。

現(xiàn)場對所有磁極線圈進(jìn)行了匝間沖擊試驗,為了使試驗結(jié)果更加清晰,所有磁極線圈均未套鐵芯,在線圈兩端施加峰值電壓為2000V的脈沖波（由于被試品影響,峰值電壓與設(shè)定值略有出入）,通過試驗發(fā)現(xiàn)磁極線圈存在如下兩種典型波形,如圖5、圖6所示。圖中M表示波形顯示區(qū)域兩條虛線之間橫軸方向的時間值。

圖5磁極線圈匝間沖擊試驗波形（1）

圖6磁極線圈匝間沖擊試驗波形（2）

根據(jù)前述分析可知,圖6波形表明線圈存在匝間短路,對比常規(guī)試驗,常規(guī)試驗結(jié)果存在反復(fù)的磁極,其波形均為圖6樣式,或者衰減更快,另有部分磁極雖然常規(guī)試驗合格,但匝間沖擊試驗波形仍為圖6樣式,表明其匝間絕緣存在薄弱點(diǎn),無法通過較高電壓的沖擊試驗。

經(jīng)分析認(rèn)為,造成磁極線圈絕緣不合格的原因主要在于廠家磁極線圈生產(chǎn)工藝存在缺陷,在線圈匝間絕緣熱壓完成后再進(jìn)行管銷,由于線圈材質(zhì)為銅,具有延展性,且絕緣層厚度較小,管銷時加工面表層銅發(fā)生延展,很容易造成相鄰匝銅排接觸或間隙非常小,極易發(fā)生匝間短路,且由于磁極掛裝、打緊磁極鍵并加撐塊后,線圈受力產(chǎn)生形變,從而進(jìn)一步增加了匝間短路的可能性,最終造成常規(guī)試驗結(jié)果反復(fù)不定,而匝間沖擊試驗證明了上述分析的正確性。在查明原因后,采購方要求廠家重新生產(chǎn)所有磁極線圈,且在重新生產(chǎn)時改進(jìn)了生產(chǎn)工藝,采用先加工撐塊安裝所需缺口,然后再進(jìn)行熱壓的方法,最終試驗表明改進(jìn)生產(chǎn)工藝后,磁極絕緣性能大幅提高,通過了匝間沖擊試驗及所有常規(guī)試驗,且在安裝過程中也未出現(xiàn)試驗結(jié)果反復(fù)的現(xiàn)象。

4結(jié)語

對于發(fā)電機(jī)磁極線圈這類對質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品,常規(guī)試驗結(jié)果不一定能很好反映磁極的質(zhì)量缺陷,而輔以匝間沖擊試驗,能夠準(zhǔn)確判別存在匝間短路的磁極線圈,且能發(fā)現(xiàn)匝間絕緣存在的缺陷,便于施工方及時排除缺陷,確保發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行。