大型水輪發電機定子線棒工頻擊穿試驗方法及標準的探討

鄒祖冰，杜建國

(中國長江三峽集團公司機電工程部, 湖北 宜昌 443002 )

1 引言

隨著水電機組單機容量越來越大，發電機出口電壓等級越來越高，定子線棒的絕緣性能對發電機的安全穩定運行顯的越來越重要。工頻擊穿是考核發電機定子線棒絕緣性能的一項重要試驗項目。

工頻擊穿試驗常用來評定發電機定子線棒絕緣結構是否合理、絕緣壽命狀況的試驗手段。在IEC標準和國家標準中，工頻擊穿試驗作為新設計定子線棒必須進行的試驗項目。在工頻試驗時必須確定擊穿電壓值和升壓速率等參數，在執行IEC標準和國家標準時，擊穿電壓值和升壓速率的描述的不夠詳細，具體試驗時由于試驗設備等原因操作起來有一定的困難。本文結合大型水輪發電機定子線棒的結構和絕緣特點，就針對水輪發電機定子線棒（電壓等級為18～26 kV）在工頻擊穿試驗過程中，對擊穿電壓值以及對升壓速率如何確定進行探討。

2 定子線棒結構及絕緣技術[1, 2]

線棒有槽內直線段、端部彎曲段、電接頭三部分，由銅導線、主絕緣和防電暈系統組成。

銅導線由多股的絕緣銅股線組成，在直線段（槽內部分）采用合適的換位后，在端部將股線束裝在一起。股線間絕緣，防止股線之間產生短路環流。線棒主絕緣采用環氧云母，表面采用防電暈半導體材料，以保證線棒場強。線棒槽內直線段外層表面涂刷低阻半導體漆，端部彎曲段表面涂刷高阻半導體漆。

線棒的絕緣試驗主要有工頻耐壓、電暈、工頻擊穿試驗、介損測量等，不同的制造廠和主絕緣的額定電壓，試驗標準不一樣。特別是工頻擊穿試驗在選擇擊穿電壓值和升壓速度也不一樣。

3 工頻擊穿試驗參數選擇[3]

工頻擊穿試驗是對定子線棒主絕緣和防電暈結構的考驗，規定合理的擊穿電壓值和電壓升壓速率，是對線棒設計、制造起到良好的引導作用。同時工廠試驗過程中，使得工頻擊穿試驗具有可操作性。

3.1 擊穿電壓值

在水利行業標準SL 321-2005《大中型水輪發電機基本技術條件》中，對定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗要求是：定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓不應小于5.5倍額定線電壓。

在電力行業標準DL/T 730-2000《進口水輪發電機（發電/電動機）設備技術規范》中，對定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗要求是：定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓一般為5.5～6.0倍額定線電壓持續1min。

在國家標準GB/T 7894-2009《水輪發電機基本技術條件》中，對定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗要求是：定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓一般為5.5～6.0倍額定線電壓。

在三峽工程左岸電站機組招標時，對定子線棒工頻擊穿電壓規定不低于5.5UN,歷時1min。各供貨廠家在工廠試驗中，ALSTOM水電公司提出將單根線棒工頻擊穿電壓提高到6.5 UN,比招標文件要求高20 kV。在三峽左岸電站線棒的供貨廠家實際工廠試驗時，都滿足招標要求的5.5 UN的要求，而且都滿足6.5 UN的要求。因此在三峽右岸電站招標時，對定子線棒工頻擊穿電壓規定不低于6.5 UN。在溪洛渡、向家壩電站招標時，對定子線棒工頻擊穿電壓規定不低于6 UN。

行業內定子線棒擊穿電壓規定也有不同的看法，擊穿電壓不斷的提高，在設計絕緣時，定子線棒絕緣厚度務必加厚，絕緣厚度對定子線棒的散熱會有一定的影響，如何取得合理的絕緣厚度以及擊穿電壓是值得探討的。從目前各供貨廠家工廠試驗來看，規定工頻擊穿電壓不低于5.5～6.5 UN應該是合適的。

3.2 升壓速度

在水利行業和電力標準中對定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗的加壓速度沒有描述，只有國家標準是參考IEC 60243的試驗方法。在三峽電站、溪洛渡和向家壩電站水輪發電機采購時合同規定以1000 V/s加壓速度。

在IEC 60243-1-1998 《絕緣材料電氣試驗方法》中，對定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗描述是：在快速升壓試驗方法中，從加壓開始計時，發生擊穿的時間最好在10s至20s內。升壓速度可以在100 V/s、200 V/s、 500 V/s、 1000 V/s、2000 V/s、 5000 V/s等等，根據IEC 60296標準，推薦升壓速度最好選擇2000 V/s。如果定子線棒額定電壓是23kV，擊穿電壓選擇6 UN，則是138kV，按照IEC 60243-1-1998標準執行，發生擊穿的時間在10s至20s內，這樣升壓速率為6.9kV/s～13.8kV/s，顯然比IEC 60296標準推薦的2kV/s升壓速率高很多。

在國家標準和IEC標準規定不是非常明確的情況下，在工廠試驗中，如何選取升壓速率，是需要在招標時應該明確的。升壓速率慢，從加壓到定子線棒擊穿的時間相對長，定子線棒會產生熱效應，該效應在定子線棒端部的防暈部位不斷累積，發生熱擊穿的幾率大，屬于熱擊穿。升壓速率快，定子線棒在快速電壓升高過程中，由于端部防暈部位絕緣厚，而直線段的主絕緣相比防暈部位絕緣薄，擊穿發生在定子線棒直線段的幾率大，屬于電擊穿。在不同部件發生擊穿，擊穿電壓值不一樣，一般情況下升壓速率慢的擊穿電壓值比升壓速率快的電壓值低，由此可以看出升壓速率是影響擊穿電壓值的因素之一。

3.3 參數選擇

在擊穿試驗中如何選擇擊穿電壓值和電壓升壓速率是本文探討的重點，從上面的分析，如果選擇1kV/s的速率逐步升高，發生熱擊穿的概率大，擊穿電壓值會相應的低，建議選擇擊穿電壓值5.5～6.0 UN，考核的部位為定子線棒端部的防暈結構。在具體試驗過程中，選擇 1kV/s的速率逐步升壓，對試驗設備，特別是試驗變壓器的要求非常高，在不斷加壓過程中，變壓器磁飽和嚴重，變壓器發熱嚴重，因此建議低升壓速率選擇上可以適當提高升壓速率，原則上不超過 3kV/s即可。如果選擇較高的升壓速率，建議選擇5kV/s～10kV/s的升壓速率，發生電擊穿的概率大，擊穿電壓值會相應的高，選擇擊穿電壓值6.0～6.5 UN，考核定子線棒主絕緣性能。

4 工頻擊穿試驗實例

在抽取的樣本中，以不同的升壓速率加壓，升壓速率慢，擊穿電壓相對較低，擊穿點在端部的幾率大；升壓速率快，擊穿電壓相應較高，擊穿點在槽部（直線段）的幾率大。通過對12根擊穿線棒解剖發現，當升壓速率低時，線棒端部爬電現象明顯，擊穿點不明顯，在升壓速率高時，基本上沒有爬電現象，擊穿點明顯從該試驗實例驗證了之前的推論，升壓速率在2kV/s～3kV/s時，擊穿點在端部，擊穿電壓值在140 kV左右，升壓速率在10kV/s時，擊穿點大部分在槽部（直線段），擊穿電壓值在150 kV左右，槽部擊穿電壓值比端部擊穿電壓值高。因此，采用低的升壓速率，發生熱擊穿的幾率大，對防暈結構的考驗概率更多些，采用高的升壓速率，發生電擊穿的幾率大，對主絕緣的考驗概率更多些。

表1 23kV定子線棒參數表

表2 擊穿試驗詳情表

本文以目前在建水電發電機出口電壓最高的23kV定子線棒為例，試驗線棒參數見表1；擊穿試驗擊穿電壓值、升壓速率和擊穿部位詳情見表2。

5 結論

本文對發電機定子線棒工頻擊穿試驗的關鍵指標進行了探討，根據理論分析和試驗情況，基本結論是：①如選擇低升壓速率，建議選擇不超過3kV/s，則擊穿電壓值選擇5.5～6.0UN；如選擇高升壓速率，建議選擇5kV/s～10kV/s，擊則擊穿電壓值選擇6.0～6.5UN。②本文探討的定子線棒工頻擊穿試驗方法及標準是針對大型水輪發電機，電壓等級適應范圍為18kV～26kV。

工頻擊穿試驗是對大型水輪發電機定子線棒絕緣性能的考核的重要試驗項目之一，特別是高電壓等級的線棒尤為重要。工頻擊穿試驗涉及到試驗條件、線棒擊穿發生機理等多方面研究，本文試驗數據來源有限，只是初步的探討，希望行業內開啟進一步的深入研究。

[1]賈志東, 樂波, 張曉虹等. 發電機定子主絕緣老化特征的研究[J]. 電網技術, 2000(4):7-11.

[2]何智江. 三峽左岸電站發電機定子線棒主絕緣技術特點[J]. 大電機技術, 2003(6):1-4.

[3]滿宇光, 魏巍, 吳炳暉. 三峽水輪發電機定子線圈電氣性能試驗[J]. 大電機技術, 2004(1):5-7.