在役近海雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)絕緣檢測及判定

CCSC南京分公司 紀(jì)寧毅 許春梅 顧 星 錢 聰

目前對于在役風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)檢測，普遍采用檢測其定子和轉(zhuǎn)子冷態(tài)下的對地絕緣電阻，但因尚無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冷態(tài)絕緣阻值，故測得的數(shù)據(jù)無法予以判定合格與否。對于在役近海和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電機(jī)絕緣測試時(shí)，應(yīng)考慮到測試條件如溫度、濕度，測試儀器選用，測試數(shù)據(jù)應(yīng)包含吸收比和極化指數(shù)，并做出合格判定。

實(shí)測情況

近海和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期工作于潮濕和鹽霧環(huán)境，發(fā)電機(jī)繞組容易受潮和污染，其絕緣電阻易呈現(xiàn)下降狀態(tài)，長期下去將會(huì)造成絕緣擊穿致使發(fā)電機(jī)燒損；這不但會(huì)對業(yè)主廠家造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失，甚者更會(huì)造成電網(wǎng)運(yùn)營故障，后果不堪設(shè)想。如何及時(shí)、有效地對發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測將成為風(fēng)機(jī)運(yùn)維期的一項(xiàng)重要工作。

我們對位于近海已運(yùn)行3年的22臺2MW雙饋機(jī)組進(jìn)行發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子對地絕緣測試，發(fā)電機(jī)絕緣等級H，使用儀器為PC27-1型數(shù)字式絕緣電阻表，測試電壓500V，測試時(shí)繞組溫度介于20～40℃之間，測試結(jié)果表明其中有15臺發(fā)電機(jī)的U、V、W、K、L、M相對地絕緣數(shù)值低于10MΩ，且22臺機(jī)組的繞組對地絕緣電阻值差異很大。

絕緣性能影響因素與測試方法

對于電機(jī)來說，定、轉(zhuǎn)子導(dǎo)線制造質(zhì)量、主絕緣包扎質(zhì)量、防暈處理質(zhì)量、主絕緣固化成型質(zhì)量以及定子線棒制造質(zhì)量均會(huì)對繞組的絕緣性產(chǎn)生影響。繞組表面的臟污物容易產(chǎn)生泄漏電流，引起表面放點(diǎn)，甚至出現(xiàn)閃絡(luò)。端部繞組表面放電暈層如果有缺陷，易產(chǎn)生局放或電暈而腐蝕表面防腐漆和絕緣層。繞組絕緣效應(yīng)會(huì)使絕緣層中的膠黏劑老化降解、絕緣分層、分層的氣隙導(dǎo)致局放。振動(dòng)、熱應(yīng)力及磁場力和離心力等因素使絕緣產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)線棒松動(dòng)時(shí)，表面防護(hù)層易摩擦損壞，出現(xiàn)電暈和局放。

發(fā)電機(jī)絕緣性能降低會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的使用壽命，甚至于會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀。所以對在役風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定期進(jìn)行絕緣測試非常必要，對測試數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確的評定后，制定出后續(xù)的養(yǎng)護(hù)、維修方案則更為關(guān)鍵。

通過大量的現(xiàn)場測量經(jīng)驗(yàn)以及對發(fā)電機(jī)絕緣原理的解析，作者認(rèn)為正確的測量方法應(yīng)該為：選用適宜的電阻測量儀，精度等級應(yīng)大于0.2級；確認(rèn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以正常測量并顯示機(jī)艙環(huán)境溫度和發(fā)電機(jī)繞組溫度；待繞組溫度和機(jī)艙環(huán)境溫度均趨于穩(wěn)定且差值在2K之內(nèi)后，開始測試各相繞組對地絕緣阻值：

● 記錄測試?yán)@組時(shí)的繞組溫度和環(huán)境溫度；

● 設(shè)定絕緣電阻直流測量電壓500V；

● 測量繞組絕緣電阻時(shí)，如各相繞組的始末端均引出，則應(yīng)分別測量各繞組對機(jī)殼的絕緣電阻，這時(shí)不參加試驗(yàn)的其他繞組和埋置檢溫計(jì)等元件應(yīng)接地。如三相繞組已在電機(jī)內(nèi)部連接，僅引出3個(gè)出線端時(shí)，則測量所有連在一起的繞組對機(jī)殼的絕緣電阻，對于繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)應(yīng)分別測量定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。

測量時(shí)，應(yīng)在試驗(yàn)電壓施加后讀取15s和60s絕緣電阻數(shù)值，并記住繞組溫度；

● 如R60/R15小于1.3則應(yīng)繼續(xù)測取1min和10min時(shí)的絕緣電阻

● 為防止被繞組在試驗(yàn)時(shí)的儲(chǔ)存電荷電機(jī)，測量后，應(yīng)將被測繞組對地放電后再拆測量線。此處應(yīng)注意，對于在役發(fā)電機(jī)絕緣測試條件一般都為冷態(tài)。

對于給定系統(tǒng)在任意給定的時(shí)間點(diǎn)的絕緣電阻，隨繞組溫度呈指數(shù)規(guī)律相反變化。對于金屬和非金屬，溫度對電阻率的影響是有差異的，特別是好的絕緣體。在金屬中有大量的自由電子，較高的溫度引發(fā)熱攪動(dòng)，隨著電子移動(dòng)能力的減弱致使電子運(yùn)動(dòng)的平均自由路徑縮短，從而導(dǎo)致電阻率提高。而在絕緣體中，溫度的提高提供了熱能，這使得額外的電荷載體獲得釋放從而降低了電阻率。這個(gè)溫度變化影響著絕大部分的電流分量。繞組的絕緣阻值取決于繞組的溫度和施加電壓的時(shí)間。一般被試電機(jī)的熱容量足夠大，這樣在1min和10min絕緣電阻讀數(shù)之間繞組的溫度差可以忽略，除非在額定電流下干燥期間進(jìn)行測量。然而，如果測試時(shí)的溫度不能控制一致，則建議絕緣電阻試驗(yàn)值用公式RMC=KT×RT（RMC：校正到40℃絕緣電阻值；KT：在溫度T℃時(shí)絕緣電阻的溫度系數(shù)；RT：在溫度T℃時(shí)測量的絕緣電阻值）校正到一個(gè)統(tǒng)一的基礎(chǔ)溫度40℃。盡管校正值是近似的，但是它可以將在不同溫度下獲得的絕緣電阻值進(jìn)行更有意義的比較：

● KT的近似值：

KT可以進(jìn)行現(xiàn)場測量但是比較麻煩，可按溫度每提高+10K二等分法獲得溫度系數(shù)KT的近似值，應(yīng)注意這僅僅是一種近似值，而不能用于計(jì)算離40℃很遠(yuǎn)點(diǎn)的絕緣電阻，否則將產(chǎn)生較大的誤差。

例如，如果測試時(shí)繞組的溫度是35℃，絕緣電阻按每提高10K二等分，則校正到40℃的KT按公式KT=（0.5）（40-T）/10計(jì) 算， 即 ：KT=0.707。

測量結(jié)果的判定

發(fā)電機(jī)考核標(biāo)準(zhǔn)中，一般只給出熱態(tài)時(shí)的絕緣電阻考核標(biāo)準(zhǔn)，并且不同種類的發(fā)電機(jī)，其考核標(biāo)準(zhǔn)有所不同。

電機(jī)繞組的絕緣電阻在熱狀態(tài)下所測得的數(shù)值應(yīng)按公式RM=U/(1000+P/100)所求得的數(shù)值。但是對于發(fā)電機(jī)熱態(tài)絕緣測試一般在實(shí)驗(yàn)室才會(huì)進(jìn)行，對于在役機(jī)組一般達(dá)不到檢測條件，故不做熱態(tài)檢測。

在一般的標(biāo)準(zhǔn)中，都沒有明確給出冷態(tài)時(shí)絕緣電阻的考核標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)殡姍C(jī)繞組冷、熱態(tài)時(shí)絕緣電阻之間的關(guān)系與電機(jī)試驗(yàn)時(shí)所處環(huán)境的溫度、相對濕度以及電機(jī)絕緣材料的性能、質(zhì)量、狀態(tài)等很多因素有關(guān)，所以很難給出一個(gè)準(zhǔn)確的換算關(guān)系式，也就是說，很難根據(jù)冷態(tài)絕緣電阻的大小來推斷熱態(tài)時(shí)的絕緣電阻值是否符合要求。但就一般情況而言，溫度越高，絕緣電阻越小。才家剛先生在其一些著作中給出了如下可供參考的冷、熱態(tài)絕緣電阻換算關(guān)系:

式中RMC——冷態(tài)絕緣電阻考核值，MΩ

tL——冷態(tài)測量時(shí)的繞組溫度（一般環(huán)境溫度），℃

tR——熱態(tài)時(shí)的繞組溫度（根據(jù)使用的絕緣耐熱材料等級所規(guī)定的最低溫度），℃

U——繞組的額定電壓，V

例如，當(dāng)環(huán)境溫度t=40℃，絕緣等級H（最低溫度等級150℃），U=690V，絕緣電阻RMC應(yīng)大于15MΩ。

對于大容量和吸收過程較長的變壓器、發(fā)電機(jī)、電纜等，有時(shí)R60s/R15s吸收比值尚不足以反映吸收的全過程，可采用較長時(shí)間的絕緣阻值比值，即10min(R10min)和1min(R1min)時(shí) 絕緣電阻的比值K2，稱為絕緣的極化指數(shù)，一般情況下對于F級絕緣K2≥2。

● 如1min絕 緣 電 阻 值 在5000MΩ以上，所計(jì)算的K2就沒有意義了；這種情況下，就不用K2值來衡量繞組的狀況。

● 吸收比和極化指數(shù)不需進(jìn)行溫度換算。

實(shí)踐證明，吸收比（極化指數(shù)）較小，說明被測繞組有可能受潮。所以，在使用中，如果測量該數(shù)值時(shí)發(fā)現(xiàn)其較小，則應(yīng)對繞組進(jìn)行烘干，并再次測量，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才能使用。應(yīng)該指出的是，有時(shí)繞組具有較明顯的缺陷（例如絕緣在高壓下?lián)舸毡戎等匀缓芎茫晃毡炔荒苡脕戆l(fā)現(xiàn)受潮、臟污以外的其他局部絕緣缺陷。

由上述判定準(zhǔn)則可見，在測的22臺在役發(fā)電機(jī)，絕緣測試數(shù)值校正到40℃后低于13MΩ的均為不合格。由于這22臺電機(jī)均工作于近海工況，且批量性出此問題，故我們初步判斷為發(fā)電機(jī)繞組受潮；在發(fā)電機(jī)廠家對其進(jìn)行烘干處理后再次測量，絕緣阻值均滿足要求，從而證明對發(fā)電機(jī)進(jìn)行絕緣測試的重要性以及上述判定方法的準(zhǔn)確性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于清潔能源，為國家大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)板塊；尤其是近海和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，更是今后風(fēng)電發(fā)展的重要范疇。但現(xiàn)階段，近海及海上風(fēng)電裝機(jī)量不多，所以工程經(jīng)驗(yàn)也較少；對陸上在役機(jī)組檢測的經(jīng)驗(yàn)很可能不適用于海上機(jī)組。故我們應(yīng)該積累海上機(jī)組運(yùn)營故障檢測的經(jīng)驗(yàn)，逐一進(jìn)行分析和排查，編制出適用于近海和海上工況的在役風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)則，繼而保障整機(jī)的可靠運(yùn)行，為風(fēng)電事業(yè)做出貢獻(xiàn)。