大型发电机定子铁芯绝缘损坏检测方法试验分析

大型发电机定子铁芯绝缘损坏检测方法试验分析袁硕，刘天羽

（上海电机学院电气学院，上海201306）＊摘要：针对发电机定子铁芯绝缘检测，介绍了传统的定子铁芯损耗试验法和ELCID测试法（Electro-magneticCoreImperfectionDetector），并阐述了电磁铁芯故障检测仪中Chattock磁位计的工作原理和整套检测设备的连接。对比2种检测方法得出，ELCID法具有低励磁、高效、易操作的特点，能够快速、安全地判定定子铁芯的故障部位。关键词：绝缘检测；铁芯损耗试验法；ELCID法；Chattock磁位计中图分类号：TM307+.1文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.022发电机是由定子、转子和定子基座三大部分组成的，定子铁芯为发电机提供磁回路，固定定子绕组线圈。定子铁芯一般由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成，硅钢片涂有绝缘漆膜，且硅钢片一侧通过铁芯紧固棒紧固在一起。定子铁芯是发电机故障的频发部件，主要原因是定子铁芯叠片间的绝缘漆膜易损坏，叠片间短路，叠片与紧固棒形成闭合回路，产生涡流电流，导致定子铁芯局部过热。铁芯叠片间短路的常见原因有以下3点：①硅钢片厚度不均，边缘有毛刺或漆膜质量差。②定子硅钢片压装不到位。由于压力不足，导致硅钢片振动，长时间运行使叠片磨损、绝缘损坏。③发电机运行时，有金属颗粒等质地坚硬的物体落入发.com.cn. All Rights Reserved.电机定子铁芯中，导致叠片间绝缘损坏。定子铁芯出现绝缘损坏的情况时，务必要停机检测、维修，这必定会影响正常发电，减少经济效益；更严重的是，还会导致区域性断电，影响人们的正常生活。在发电机交接试验、更换定子绕组或是定子铁芯疑似有损伤时，要对发电机进行定子铁芯短路故障检测，判断发电机能否正常运行。本文简要介绍了检测发电机定子铁芯短路故障的2种试验方法，即传统的定子铁耗试验法和铁芯损伤电磁感应检测。1定子铁耗试验1.1试验原理定子铁耗试验的基本原理是：拆下发电机转子，定子铁芯上缠绕励磁绕组；通入交流电，定子膛中生成接近饱和的交变磁通；定子铁芯中产生涡流和磁滞损耗，使定子铁芯局部发热（定子铁芯中叠片间绝缘漆受损加剧，会产生更大的涡流，温度也会进一步升高）；使用红外线成像仪测量发现高温点，与标准数据进行比较，进而发现疑似故障点。1.2铁损法试验原理图和现场铁损法的试验原理和试验现场情况如图1、图2所示。图2试验现场的情况图1铁损法试验原理1.3铁损法试验的缺陷定子铁耗试验（LoseTestOfCore）是检测铁芯故障试验的传统方法，它在过去的定子铁芯绝缘检测中的使用率比较高，但也存在一些不足，具体表现在以下几个方面：①要求使用大功率电源设备（通常需要3MVA），励磁电源要提供额定磁通80%～100%的磁通量，磁通量要求比较高。②高电压、高电流。检测试验需要多人参与，高电压、高电流的存在会给工作带来一些安全隐患。③预热设备价格昂贵。使用红外热成像技术测量温度来确定故障点，需要进行检测前加热升温，以达到检测要求。④有些设备可能冷却不及时就会有潜在的损坏风险，并且可能会威胁到工作人员的安全。⑤一般只能检测定子齿表面的故障，深部故障检测能力比较差。2ELCID测试法英国中心电力委员会（CentralElectricity20世纪70年代末，GeneratingBoard）研究、验证了一种采用电磁方式检测铁芯叠片故障的方法，即ELCID试验法。通过多年的研究发展，ELCID试验法被广泛应用。2.1ELCID试验原理ELCID测试法的试验原理是：先进行励磁，在定子膛穿过1根励磁电缆，通入给定值交流电，定子膛均匀分布符合工作要求的磁通。此时，因绝缘损伤而短路的硅钢片和铁芯紧固棒形成闭合回路，产生故障电流，如图3所示。然后，使用Chattock磁位计感应故障电流产生的磁场，实现对故障点的检测。这种检测方法工作量少，且只需施加额定励磁磁通量的4%.————————————————————————————————＊基金项目：上海市自然科学基金资助项目(15ZR1417300，14ZR1417200)；上海市教委创新基金项目（14YZ157，15ZZ106）·22·2017年第3期

图3故障电流回路2.2Chattock磁位计的工作原理Chattock磁位计是1个半闭合的Rogowski线圈，与定子铁芯和空气构成闭合回路，如图4所示。由全电流定律可知，整个环路中的电流代数和与闭合回路中磁场强度沿路径积分的大小相等。至此可得：HdI＝I.

（1）式（1）中：H为磁场强度；dl为磁位计的一段长度；为回路感应电流。图4Chattock磁位计工作原理回路由铁芯和空气构成，所以，式（1）可表示为：HdI＝HFedI＋

HairdI.

（2）式（2）中：HFe为定子铁芯磁场强度；Hair为空气磁场强度。实际上，定子铁芯的磁导率要远远大于空气的磁导率，定子铁芯的磁导率大约是空气磁导率的2000倍。由此可得磁导率计算公式为：u＝

B式（H.（3）强度，3）中：u为磁导率，H/m；B为磁感应强度，T；H为磁场可得：因为A/m。Hair≫HFe，所以，运算时可以忽略ʃHairdI.因此，由式（2）HdI＝H

FedI.

（4）使用Chattock磁位计进行铁芯故障试验时，可得感应电势与电流的关系，即：U＝μ0ωnAI＝K∑I.（5）式（5）中：μ0为空气磁导率；ω为电流角频率；n为Chattock磁位计单位长度上的绕组匝数；A为Chattock磁位计绕组的横截面积；K为与Chattock磁位计绕组参数相关的系数。2.3ELCID试验装置ELCID铁芯试验装置如图5所示，它主要包含六大部分，即励磁单元、驱动单元、Chattock磁位计、调压计、信号处理单元和校验单元。2.4ELCID试验结果实例图6为使用ELCID仪输出单元显示的电流变化曲线。由图6可知，E处电流出现较大突变，电流突变到300mA。至此可以确定，E处定子铁芯绝缘损伤。使用ELCID试验法进行绝缘ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新试验时，国际上一般认为，当定子铁芯某处突变电流值的有效值大于100mA时，可以认定此处存在叠片间绝缘问题。图5ELCID法设备连接图图6ELCID实时监测故障点显示图3结论与铁芯损耗法相比，ELCID法的优点是：①只需要约4%的额定磁通下的磁场；②只需要小功率的电源设备，易于配备和搬运，铁芯故障检测的设备部件损毁后更换容易；③工作量减少，操作简单，安全系数高，在抢修过程中会节约时间，减少经济损失；④ELCID铁芯试验灵敏度比较高，不仅可以准确检测出定子表面的故障点，也可以通过ELCID典型故障波形来检测分析铁芯深处故障点。参考文献［1］孟大伟，林海鹏，孟庆伟，等.大型发电机定子铁心片间短路检测系统设计［J］.哈尔滨理工大学学报，2013，18（3）：12-15，21.［2］刘微微，刘红.水电站水轮发电机定子铁心铁损试验的现场实施［J］.内蒙古电力技术，2012，30（1）：107-112.［3］李刚，怡凯.红外热成像技术检测发电机铁心故障的研究［J］.宁夏电力，2012（6）：5-7，12.［4］范林，赵海涛，李新平，等.大型发电机定子铁芯损耗试验分析［J］.河北电力技术，2012，31（6）：18-19，42.［5］贾志东，白雨，张征平，等.用于发电机定子铁芯的铁芯损伤电磁感应检测法检测原理分析［J］.高电压技术，2015，41（1）：123-131.［6］王成亮.基于低励磁法的发电机铁心故障检测研究［J］.大电机技术，2010（6）：9-13.［7］SUTTON.J，ELCID：aneasierwaytoteststatorcores.ElectricalReview，1980，207（1）：33-37.［8］NAMARBAM，ENGP.ACollectionofCaseStudiesofELCIDTest.PresentedatLatinAmericaPower2000，2000.［9］胡常春.应用电磁定子铁芯故障探测仪进行发电机试验［J］.发电设备，2009（1）：59-61.————————作者简介：袁硕（1991—），男，硕士研究生在读，主要研究方向为电机与电器、电力设备故障诊断。刘天羽（1978—），男，教授，主要研究方向为风电机组、电力设备故障诊断，智能控制，模式识别。〔编辑：白洁〕·23·.com.cn. All Rights Reserved.