大型水輪發電機部分技術合同中關于定子線棒瞬時擊穿電壓試驗要求的意見

滿 宇 光（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

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大型水輪發電機部分技術合同中關于定子線棒瞬時擊穿電壓試驗要求的意見

滿 宇 光
（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

[摘要]本文作者對大型水輪發電機部分技術合同中關于定子線棒工頻擊穿電壓的要求提出了自己的觀點和看法，認為某些技術合同存在與通用標準規定不一致的現象。為保證產品質量，統一正確的產品質量辨別標準和方法，尋找到了部分佐證與讀者共享。

[關鍵字]大型水輪發電機；定子線棒；耐電壓試驗；瞬時擊穿電壓試驗；持續時間

0　引言

定子線棒的電氣絕緣性能是關系到發電機繞組安全可靠性的關鍵指標，在產品出廠時必須進行相關性能試驗驗證，包括：工頻耐電壓試驗和瞬時工頻擊穿電壓試驗。

一般的技術合同中對定子線棒的耐電壓試驗要求這樣規定：定子線棒出廠前能安全承受不低于2.75Un+6.5kV的工頻電壓，歷時1min；同時抽取的定子線棒工頻瞬時擊穿電壓不低于額定電壓的5.5～6.0倍。筆者認為：這樣規定是十分恰當的，是符合多數標準的規定和電機制造廠慣例的。

但某些合同中這樣規定：定子線棒應能承受的工頻擊穿電壓為5.5～6.0Un，持續1min。筆者認為該要求過于嚴格苛刻，值得進一步探討。

1　耐電壓試驗和瞬時擊穿電壓試驗

1.1耐電壓試驗

耐電壓試驗是一種非破壞性試驗，針對定子線棒出廠而言，需要逐根進行，即100%數量檢測。其出廠檢驗耐電壓值一般為2.75Un+6.5kV，試驗時升壓到指定限值后持續時間為1min。試驗電源一般為50Hz交流電源。通過試驗的線棒產品被認為合格，可以出廠；沒有通過試驗或者出現一些異常現象的線棒產品不能被認為合格，需做報廢或者重新包繞絕緣等處理。耐電壓試驗是一種線棒絕緣性能的檢測手段，目的是對線棒設計、材料選擇和制造工藝進行綜合評價。

1.2瞬時擊穿電壓試驗

瞬時擊穿電壓試驗是一種破壞性試驗，也在50Hz交流電壓下進行，一般每臺份機組僅抽取1～2根進行，視合同約定。試驗時要求持續升壓直至擊穿，擊穿時要求試驗電壓不低于發電機額定電壓的5.5～6.0倍，由于常在升壓過程中定子線棒發生瞬時擊穿現象，故稱為工頻瞬時擊穿電壓試驗。進行瞬時擊穿試驗的線棒產品僅能報廢，故在可以預知整體擊穿水平的前提下試驗數量越少越顯經濟。

應該說，耐電壓試驗和瞬時擊穿試驗是兩項性質和目的不同的試驗。但某些合同中的規定：定子線棒應能承受的工頻擊穿電壓為5.5～6.0Un，持續1min。很顯然，是將兩項試驗合并成了一項試驗。

表1　硬性合并后驗收標準

但這看似簡單的合并，造成的后果卻極不簡單：首先，在概念上與傳統認識有出入，容易造成制造廠與監造人員之間的誤解，難以歸結是耐電壓試驗還是擊穿電壓試驗。其次，若硬性合并，不管是耐電壓試驗還是擊穿電壓試驗，都大大提高了驗收標準，增加了制造方的難度。要知道，產品技術性能參數的提高取決于結構設計、材料的更新換代和工藝流程的完善等方面，都需要日積月累一點一滴地推進，不是簡單的事。試驗電壓從2.75Un+6.5kV持續1min提高到5.5～6.0Un持續1min，驗收標準表面上提升了160～200%，實際上提高的幅度更高，可以達到百倍以上，數值為：

其中，E為電場強度、n為冪率指數?？梢娞嵘姆仁窍喈斁薮蟮?。

2　相關標準的規定

規定了定子線棒耐電壓試驗和擊穿電壓試驗的相關標準和文件較多，針對這些標準，筆者認為總體方向無誤，但部分標準引用細節描述不清晰或者有待商榷。詳見下列與水輪發電機密切相關的標準和文件：

2.1國標GB/T7894-2009《水輪發電機基本技術條件》

2.1.1標準規定

該標準第8.2.4條表8序號1中對成品線圈的耐電壓試驗進行了規定，試驗電壓值為2.75Un+6.5kV，持續1min。

該標準第8.2.3條對定子線棒（線圈）的工頻擊穿電壓值進行了規定：一般不低于5.5～6.0Un，抽樣進行，試驗方法參見IEC60243-1:1998。

2.1.2筆者意見

該標準總體比較客觀正確，對耐電壓試驗和工頻擊穿試驗分別進行了規定。但細節不明晰，因為IEC60243-1標準中包括了兩種試驗方法：瞬時升壓擊穿法和階梯耐壓擊穿法，針對線棒擊穿具體采用哪一種方法并沒有做出規定。

這里說明一下：瞬時升壓擊穿法即指施加于線棒上的電壓以一定速率（如1kV/s）持續升高，直至擊穿。階梯耐壓擊穿法指施加于線棒上的電壓在持續升壓（一般升壓速率為1kV/s）過程中，在某幾個電壓值點持續停留，停留初始電壓點一般為預期瞬時擊穿值的一半左右，停留電壓間隔一般選取5kV，各點停留時間均為1min，也有間隔電壓點和持續時間為其他規定值的情況。這兩種方法得到的數據結果是不一樣的。

2.2行標SL321-2005《大中型水輪發電機基本技術條件》

2.2.1標準規定

該標準第8.2.4條表5中對成品線圈的耐電壓試驗進行了規定，試驗電壓值為2.75Un+6.5kV，持續1min。

該標準第8.2.3條對定子線棒（線圈）的工頻擊穿電壓值進行了規定：不低于5.5Un，抽樣進行。

2.2.2筆者意見

該標準總體比較客觀正確，與國標GB/T7894-2009《水輪發電機基本技術條件》類似。

2.3行標DL/T730-2000《進口水輪發電機設備技術規范》

2.3.1標準規定

該標準第4.34條規定成品線圈的耐電壓試驗值為2.75Un+6.5kV，持續1min。

該標準第4.35條規定，定子線棒的工頻擊穿電壓為5.5～6.0Un，持續1min，抽樣進行。

2.3.2筆者意見

該標準是容易引起異議的根源。部分發電機技術合同的描述與此存在雷同之處。

2.4國標GB755-2008《旋轉電機 定額和性能》

2.4.1標準規定

該標準第9.2條僅規定了電機繞組完成后最后一級耐電壓試驗標準，對成品線圈的出廠驗收的耐電壓試驗值沒有規定。對定子線棒的工頻擊穿電壓值也沒有進行規定。

2.4.2筆者意見

該標準依據IEC60034-1:2004而來，對線棒出廠前的耐電壓試驗和工頻擊穿試驗沒有詳細規定。

2.5國標GB/T8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》

該標準第14項僅規定了發電機在安裝過程中的試驗標準，對定子線棒的出廠驗收的耐電壓試驗和工頻擊穿電壓試驗沒有進行規定。

2.6行標JB/T6204-2002《高壓交流電機定子線圈及繞組絕緣耐電壓試驗規范》

2.6.1標準規定

該標準第4.6條僅規定了整臺條式線棒在成品出廠驗收的耐電壓試驗值為2.75Un+6.5kV，持續1min，而沒有規定線棒的工頻擊穿電壓試驗方法和限值。

2.6.2筆者意見

該標準對線棒工頻擊穿試驗沒有詳細規定。

2.7行標DS/ZJ011-2002《大型水輪發電機 產品質量分等》（該標準編號現已經變更為 CEEIA 154-2003）

2.7.1標準規定

該標準[1]第4.1.8條附錄A序號10規定了條式線棒在出廠前的耐電壓試驗：試驗方法按照標準JB/T6204（即2.75Un+6.5kV，持續1min），檢驗標準為：不擊穿、不閃絡、不冒煙。

該標準第4.1.8條附錄A序號11規定了條式線棒在出廠前的瞬時工頻擊穿電壓試驗：室溫、在變壓器油中進行，平均升壓速度為1000V/s，檢驗標準見表2。

表2　平均瞬時工頻擊穿電壓標準

2.7.2筆者意見

該標準對線棒的耐電壓試驗和瞬時工頻擊穿電壓試驗方法和限值分別作了詳細的、具體的、可操作的規定，是迄今為止國內最具信服力的標準，目前國內各大電機制造公司均是依據此方法進行的，并已經形成了數十年的傳統做法。

2.8匯編《電氣工程大典》（2008版）

2.8.1匯編規定

《中國電氣工程大典》（2008版）[2]第9卷電機工程291頁，即第2篇第4章11.2.1項“廠內試驗項目”中第6條對“定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗”明確描述：按隨機抽樣做試驗，試驗電壓以1kV/s的速度逐步升高，直至定子線棒絕緣擊穿為止。如果通過則認為全部合格，如果有擊穿再隨機加倍抽樣做試驗。

2.8.2筆者意見

該匯編雖然不是標準，但對線棒工頻擊穿電壓進行了明確的描述，采用連續升壓法，而不是階梯耐電壓法。與國內外電機制造行業的實際做法是相符的。

總之，根據目前大多數標準，可以確定：（1）線棒的耐電壓試驗和瞬時工頻擊穿電壓試驗是兩項試驗，耐電壓限值和電壓施加的持續時間要求不同。（2）行業標準DS/ZJ011-2002《大型水輪發電機 產品質量分等》和《中國電氣工程大典》（2008版）對線棒的瞬時工頻擊穿電壓試驗作了詳細的描述：即采用連續升壓法，而非階梯耐電壓法。（3）多數標準對線棒出廠前的耐電壓試驗的規定是：2.75Un+6.5kV，持續1min。但個別標準和部分技術合同對線棒的瞬時工頻擊穿電壓試驗規定的不清晰或者說不恰當，即：定子線棒的瞬時工頻擊穿電壓為5.5～6.0Un，持續1min。恰當的說法是：定子線棒的瞬時工頻擊穿電壓不低于5.5～6.0Un，而沒有“持續1min”的字樣。

3　線棒實測性能

線棒的耐電壓試驗出廠驗收標準為：試驗電壓2.75Un+6.5kV，持續1min。針對線棒產品出廠的耐電壓檢驗試驗，基本沒有異議，在此不展開論述。國內某企業針對部分特殊項目曾經制訂了內部標準[3]：4Un，持續1min，這已經是極高的檢驗水平了，當然這需要特殊的制造工藝、材料和絕緣設計結構，制造成本也大大增加，并不一定適合所有的產品。

對于線棒的瞬時工頻擊穿電壓試驗，其絕緣破壞時的電壓值請參考下面國內某知名電機制造廠的經驗數據。

表3　一般條件下線棒瞬時擊穿電壓經驗值

線棒的瞬時工頻擊穿電壓值取決于線棒的絕緣結構、主絕緣材料性能、絕緣厚度、線棒截面尺寸、導體R角半徑、制造工藝等。即使同一電壓等級和絕緣厚度條件下，也可能存在差異和變化，比如：增加線棒導體的圓角半徑時瞬時擊穿電壓值會升高，見表4。

但是，這些因素并不是可以隨意改變的，線棒的幾何尺寸、電磁計算、溫升效率等參數的選擇是相互關聯的，某些技術參數的提高可能意味著要降低其他性能參數，某些項目并不能通過改變上述影響因素實現。

電機定子線棒的瞬時擊穿電壓水平是根據自身的設計和制造能力在設計初始就應該預料到的，對于特定的材料來說，也是絕緣厚度選擇的重要依據[4]。

根據經驗，對于中小型發電機或者異步電動機而言，當額定電壓在10.5kV及以下時，一般絕緣瞬時擊穿水平裕度選取在8～10左右。隨著電壓等級的升高和絕緣厚度的增加，絕緣裕度提升難度越來越大，至目前20kV等級及以下的大型同步水輪發電機，線棒的瞬時擊穿水平裕度選取在5.5～6.0左右。而當額定電壓達到20kV等級以上時，難度會繼續增加，標準一般對此規定：技術協議單獨協商制定。換言之，對于較低電壓等級的發電機定子線棒而言，若實現6Un持續1min耐電壓后的擊穿試驗是有可能的，而對于20kV及以上等級發電機線棒，實現6Un持續1min耐電壓后的擊穿試驗幾乎是不可能的，見表5，現尚缺少大量的實際產品數據，理論上連續升壓法的瞬時擊穿電壓值低于5.5Un是正常的。

表4　不同導體圓角半徑的瞬時擊穿電壓

表5　高電壓等級的線棒擊穿電壓試驗

可見，瞬時擊穿電壓和階梯耐電壓值的試驗結果是不同的，這兩種試驗結果之間的模擬換算關系暫時停留在研究階段，未見明確的標準對其進行定義，理論估算方法如下：

通常電場強度E和絕緣壽命L的關系用負冪指數模型表示：

式中，c為常數，n為冪率指數。根據線棒的電老化試驗結果（比如1.6Un和2.0Un電壓下的壽命Ln），推算出線棒的參數c和n。

公式（1）中的E為常數，可對固定場強下的壽命進行推算，不適用于擊穿（場強隨時間變化）下的壽命推算。該公式可拓展為積分形式：

式中，K為損失壽命率，E(t)為場強隨時間的變化函數，t1、t2為加壓初始和結束時間。

瞬時擊穿情況下，E(t)=At/d（A為升壓速度，d為絕緣厚度），K=1，t1=0，帶入公式（2）可以求得t2和瞬時擊穿電壓。

階梯耐壓情況下，輸入起始耐壓Uo，耐壓時間60s，升壓5kV，進行分段累計積分，由于計算過程較為復雜，在此忽略。最后可以得到理論上的擊穿電壓值和持續的時間。

某電機制造公司曾經制造了一批試驗線棒（d=3.5mm，Un=15.75kV），通過模擬計算后得到瞬時擊穿電壓和階梯耐電壓試驗值之間的比值系數ξ如圖1所示，約為1.20～1.25。

目前持續升壓法條件下線棒的瞬時擊穿電壓標準規定為不低于5.5～6Un，并不恰當。若采用階梯耐電壓法，則初始耐電壓選取值不應為5.5～6Un，而應為2.75～3.0Un左右；且最終擊穿值的考核標準也應該更改，應接近5.5～6Un/ξ。系數ξ絕對有待進一步探討[5]，ξ約為1.20～1.25是僅考慮電應力的理想狀態，實際階梯耐電壓過程中由于試樣局部熱效應更加強烈，可能會導致階梯升壓法擊穿值偏低或ξ偏大。

圖1　階梯耐電壓和瞬時擊穿電壓數據對比

4　合同執行現狀

部分電機制造公司根據技術的規定（或者在業主的強烈要求下）對線棒嘗試過6Un持續1min的試驗，如哈電、浙富、福伊特等，但都是額定電壓不是很高的機組，如：10.5kV等級或者13.8kV等級。但應該說明，這絕對是比較嚴格苛刻的要求；而且這是單點（6Un）電壓值的階梯耐壓試驗，不是真正的按照標準的階梯耐電壓試驗；真正的階梯耐電壓試驗是選擇好初始耐電壓值后連續升壓并每隔一定電壓值（比如5kV）持續固定時間（比如1min）。

部分項目的技術合同（如三峽左岸，拉西瓦、龍灘、小灣等）也進行了類似5.5～6Un持續1min的耐電壓規定，但經過制造方和業主的說明和解釋，業主均同意按照傳統的連續升壓法進行瞬時擊穿試驗方法，而沒有在5.5～6Un電壓值下持續1min。

5　結論

（1）大型發電機定子線棒的耐電壓試驗和瞬時工頻擊穿電壓試驗是兩項不同的試驗。

定子線棒出廠前的耐電壓試驗規定正確描述應為：試驗電壓2.75Un+6.5kV，持續1min。

定子線棒出廠前的瞬時工頻擊穿電壓試驗規定正確描述應為：瞬時擊穿電壓不低于額定電壓的5.5Un（或者6.0Un）。

兩者不能混淆。

（2）線棒的瞬時工頻擊穿電壓試驗一般采用連續升壓法，參考升壓速率為1kV/s。

（3）部分技術合同中關于“定子線棒的瞬時工頻擊穿電壓為5.5～6.0Un，持續1min”的規定，容易產生誤解，是有待商榷的表述；該表述極大提高了驗收條件，在高電壓等級條件下難以實現。

（4）大型水輪發電機定子線棒的性能均一性和質量穩定性是第一位的，過高的追求擊穿電壓性能指標的做法給生產制造帶來了不小的難度，尤其在高電壓等級機組上值得慎重考慮。

[參 考 文 獻]

[1]DS/ZJ011-2002, 大型水輪發電機, 產品質量分等[S].

[2]唐任遠, 顧國彪, 等. 中國電氣工程大典第9卷電機工程[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008, 291-292.

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

[4]鄒祖冰, 杜建國. 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[J]. 大電機技術, 2011(6): 33-35.

[5]毛繼業. 發電機定子線棒擊穿試驗數據分析[J].絕緣材料, 2007(4): 18-21.

滿宇光（1976-），1999年畢業于西安交通大學高電壓技術及設備專業，現工作于哈爾濱大電機研究所，長期從事大型發電機絕緣技術研究，高級工程師。

審稿人：潘延明

Comments on Rapid Rise Breakdown Test Requirements of Stator Bars in Some Large Hydro-generator Technique Contracts

MAN Yuguang
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

Abstract:My own opinion and viewpoint on rapid rise breakdown test requirement of stator bars in large hydro-generator technique contracts in this paper. It’s considered that there are some disagreements with general is proposed standard in some technique contracts. Some of the supports have been found and shared with reader in order to guarantee the product quality and unify the correct product quality identifying criterion and method.

Key words:large hydro-generator; stator bar; voltage withstand test; rapid rise breakdown test; duration time

[作者簡介]

[收稿日期]2015-08-01

[中圖分類號]TM312

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2015)06-0016-05