匝间冲击试验在发电机磁极线圈绝缘缺陷检测中的运用

引言

水轮发电机组磁极线圈绝缘水平对机组安全稳定运行有至关重要的影响,磁极绝缘不合格会导致机组运行时磁场不平衡,振摆超标,严重时会导致发电机轴瓦温度过高甚至烧瓦,因此,有效的磁极线圈绝缘检测手段对于保证产品质量,确保水轮发电机组安全稳定运行有重要作用。

埃塞俄比亚某水电枢纽工程主体包括大坝、引水隧洞、地下厂房及户外式开关站,安装3台额定容量85+M的混流式水轮发电机组,其发电机主要参数如下:

发电机型号:ws85-14/5F00;

额定功率:85+M;

额定电流:4083.7A;

额定功率因数:0.85（滞后）;

额定励磁电压:240V;

额定励磁电流:970A;

额定转速:428.6r/min;

额定频率:50Hz。

发电机转子安装方式采取现场磁辄叠片,然后挂装磁极的方式,磁极在厂内生产完成。

首台发电机转子在安装过程中发生如下问题:（1）磁极挂装前试验,交流阻抗不合格,现场修复处理后合格。（2）磁极挂装后在打紧磁极键不装磁极间撑块、打紧磁极键安装撑块、撑块安装引线联接多个状态下进行磁极试验,均出现交流阻抗不合格现象,屡次修复后试验结果仍不稳定。

1磁极图纸、制造工艺及结构说明

本项目发电机磁极线圈由异形铜排自上而下顺时针方向连续绕49匝（有效匝数）而成,每匝间垫3层0.04mm厚的s级绝缘玻璃坯布,通过加热,在液压机上对磁极线圈进行加压,使绝缘胶软化充分流动,填充铜排匝间间隙。在保温保压条件下,绝缘胶逐渐固化,最后绝缘厚度在0.23～0.35mm,铜排截面如图0所示。另外为了确保在机组运行过程中转子机械结构的稳定性,需要在相邻磁极间安装V型撑块用于支撑磁极,为了防止撑块在机组运行过程中产生位移,需要在磁极线圈上加工缺口用于撑块固定,加工示意如图2所示,在磁极匝间绝缘热压完成后,采用锽销方法加工撑块安装所需缺口。

2磁极常规试验及结果分析

磁极开箱后,安装人员发现磁极加工工艺较差,表面毛刺较多,因此在挂装前对磁极表面及匝间缝隙进行了清扫,随后进行交流阻抗测试,试验结果如表0所示。

图1磁极铜排截面图

图2磁极线圈缺口加工示意图

表1交流阻抗试验结果

注:每个磁极通入0A工频电流,记录磁极两端电压值.

根据规范要求,单个磁极阻抗值与平均值偏差不得大于±5%,从表0数据看,各磁极间交流阻抗相差很大,尤其是00号磁极,无法满足安装要求。现场对磁极线圈进行了仔细检查,发现磁极线圈加工面存在较明显的匝间短路现象,如图3所示。除00号磁极外,其余磁极也不同程度存在该现象。现场按厂家要求对磁极表面进行处理后,试验合格,但是在磁极挂装、打紧磁极键、安装磁极间撑块等多步工序后进行试验检测,几乎每一道安装工序完成后检测均有磁极线圈试验结果不合格问题,且无一定规律。现场认为磁极匝间绝缘存在较大缺陷。

图3磁极线圈加工面

3匝间冲击试验方法、结果

为了最终确定磁极线圈匝间绝缘情况,现场采用TH-2883型脉冲式线圈测试仪对磁极线圈匝间绝缘进行检测,其原理是对被测线圈绕组和标准线圈绕组施加相同的脉冲电压,比较两者瞬态波形,以判断被测试绕组件的优劣。瞬态波形也就是线圈内发生的衰减振荡波形,可同时判断该绕组的电感、品质因素O值、绕组的圈数差、匝间层间短路。典型的线圈自激衰减震荡波形如图4所示。

图4典型的线圈自激衰减振荡波形

由于现场无法肯定哪只线圈不存在匝间短路,因此无标准线圈进行对比,但根据品质因数计算公式,其中L为线圈电感,RL为电感电阻,o为频率。L越大,则品质因数O越大,能量衰减速度越慢。而线圈电感与匝数的平方成正比,因此可以推断存在匝间短路的线圈,振荡波形衰减较快。

现场对所有磁极线圈进行了匝间冲击试验,为了使试验结果更加清晰,所有磁极线圈均未套铁芯,在线圈两端施加峰值电压为2000V的脉冲波（由于被试品影响,峰值电压与设定值略有出入）,通过试验发现磁极线圈存在如下两种典型波形,如图5、图6所示。图中M表示波形显示区域两条虚线之间横轴方向的时间值。

图5磁极线圈匝间冲击试验波形（1）

图6磁极线圈匝间冲击试验波形（2）

根据前述分析可知,图6波形表明线圈存在匝间短路,对比常规试验,常规试验结果存在反复的磁极,其波形均为图6样式,或者衰减更快,另有部分磁极虽然常规试验合格,但匝间冲击试验波形仍为图6样式,表明其匝间绝缘存在薄弱点,无法通过较高电压的冲击试验。

经分析认为,造成磁极线圈绝缘不合格的原因主要在于厂家磁极线圈生产工艺存在缺陷,在线圈匝间绝缘热压完成后再进行管销,由于线圈材质为铜,具有延展性,且绝缘层厚度较小,管销时加工面表层铜发生延展,很容易造成相邻匝铜排接触或间隙非常小,极易发生匝间短路,且由于磁极挂装、打紧磁极键并加撑块后,线圈受力产生形变,从而进一步增加了匝间短路的可能性,最终造成常规试验结果反复不定,而匝间冲击试验证明了上述分析的正确性。在查明原因后,采购方要求厂家重新生产所有磁极线圈,且在重新生产时改进了生产工艺,采用先加工撑块安装所需缺口,然后再进行热压的方法,最终试验表明改进生产工艺后,磁极绝缘性能大幅提高,通过了匝间冲击试验及所有常规试验,且在安装过程中也未出现试验结果反复的现象。

4结语

对于发电机磁极线圈这类对质量要求较高的产品,常规试验结果不一定能很好反映磁极的质量缺陷,而辅以匝间冲击试验,能够准确判别存在匝间短路的磁极线圈,且能发现匝间绝缘存在的缺陷,便于施工方及时排除缺陷,确保发电机安全可靠运行。