大型貫流式機(jī)組定子線圈耐壓試驗(yàn)分析

劉國虎

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410001）

0 引言

交、直流耐壓試驗(yàn)是貫流式發(fā)電機(jī)定子絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目之一，交流耐壓試驗(yàn)符合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況，相比其他類型試驗(yàn)，優(yōu)勢體現(xiàn)在耐壓試驗(yàn)時(shí)電壓和機(jī)組運(yùn)行的電壓波形、頻率相似，施加在線圈絕緣內(nèi)的電勢狀況與機(jī)組工作時(shí)的狀態(tài)相同。從絕緣老化試驗(yàn)或熱擊穿方面分析，定子線圈交流耐壓是對(duì)線圈絕緣主要檢驗(yàn)手段，所以定子線圈交流耐壓試驗(yàn)普遍應(yīng)用在在發(fā)電機(jī)安裝、運(yùn)行和檢修過程中；直流耐壓試驗(yàn)，可以從試驗(yàn)過程中電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系中觀察絕緣狀態(tài)，在絕緣尚未擊穿前發(fā)現(xiàn)或找出缺陷。

柬埔寨桑河二級(jí)水電站位于柬埔寨王國境內(nèi)的桑河干流上，是目前柬埔寨最大的水電工程。電站總裝機(jī)容量40 萬千瓦。安裝8 臺(tái)中國產(chǎn)的51 MW 貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，工作水頭和機(jī)組容量在同類機(jī)組中位于世界前列。發(fā)電機(jī)組長年在數(shù)十米的水底運(yùn)行，很有必要對(duì)發(fā)電機(jī)定子線圈進(jìn)行耐壓試驗(yàn)檢查，下面以1 號(hào)機(jī)組定子線圈的交、直流耐壓試驗(yàn)方法為例進(jìn)行分析。

1 定子線圈主要參數(shù)

定子繞組為三相雙層二支路“Y”形連接條式波繞組結(jié)構(gòu)。線棒端部采用支撐環(huán)、層間端箍并利用綁扎帶進(jìn)行端部固定。線棒采用銀銅焊連接成各支路，通過銅環(huán)引線引出與升壓設(shè)備連接。

主要參數(shù)為：額定功率58 MV·A；額定電壓10.5 kV；額定電流3234 A；并聯(lián)支路數(shù)a=2；繞組相數(shù)3 相；繞組型式為雙層波繞組；定子鐵芯396 槽；節(jié)距為1-8-183。

2 定子線圈交、直流耐壓的檢查項(xiàng)目

線圈繞組三相及分支回路電阻的測量；線圈繞組耐壓試驗(yàn)前溫度、氣隙等傳感器檢查：線圈繞組相間及對(duì)地的絕緣電阻值、吸收比（或極化指數(shù)）測量；線圈繞組各相間及對(duì)地直流泄漏及耐壓試驗(yàn)；線圈繞組各相間及對(duì)地交流耐壓試驗(yàn)；耐壓試驗(yàn)后線圈繞組相間及對(duì)地絕緣檢查；耐壓試驗(yàn)后溫度、氣隙等傳感器檢查。

3 定子線圈交、直流耐壓試驗(yàn)電源準(zhǔn)備

定子線圈交、直流耐壓試驗(yàn)電源采用380 V 供電，電源容量120 kV·A，試驗(yàn)電源供電穩(wěn)定可靠，保護(hù)靈敏，選用380 V、200 A 主控?cái)嗦菲鞑⒃O(shè)定好保護(hù)值；根據(jù)接線圖將試驗(yàn)操作臺(tái)、升壓設(shè)備、高壓測量保護(hù)裝置連接好，檢查接線無誤和高低壓電纜線絕緣合格；由試驗(yàn)工程師對(duì)試驗(yàn)裝置通電操作并檢查，增加或減小電壓、調(diào)整氣隙大小、調(diào)整過流、過壓保護(hù)裝置并動(dòng)作可靠，對(duì)試驗(yàn)主回路試通電操作檢驗(yàn)。

4 定子線圈交、直流耐壓試驗(yàn)步驟及方法

4.1 測量線圈繞組三相及分支回路電阻

該發(fā)電機(jī)定子線圈共有三相繞組，每相繞組由二分支路組成；回路檢查完成后，用直流電阻測試儀分別測量定子線圈繞組每相及每一支路的直流電阻值，檢查相與相之間、支路與支路之間直流電阻值之間差值≤最小值的2%；有異?；虺^要求數(shù)值的需對(duì)相應(yīng)繞組查明原因并處理達(dá)標(biāo)。

4.2 線圈繞組耐壓試驗(yàn)前檢查溫度、氣隙傳感器

線圈繞組交直流耐壓前：用9 V 低電壓歐姆表檢查溫度、氣隙傳感器的電阻附合要求；用100 V 兆歐表檢查傳感器的對(duì)地絕緣電阻；線圈繞組交直流耐壓后：再次用9 V 低電壓歐姆表檢查溫度、氣隙傳感器的電阻附合要求；用100 V 兆歐表檢查傳感器的對(duì)地絕緣電阻。

4.3 線圈繞組三相間及地的絕緣電阻值、吸收比（或極化指數(shù)）測量

（1）用電動(dòng)兆歐表2500 V 檔自動(dòng)測量各相間及對(duì)地的絕緣電阻應(yīng)附合下述結(jié)果。

式（1）中，R 為絕緣電阻（MΩ），Ue為額定工作電壓（V），Se為機(jī)組額定容量（kV·A）。

10.5+1=22 MΩ，（線圈繞組溫度40 ℃時(shí)≥22 MΩ）；

Re（100）=Ue/（1000+Se/100）=10 500/（1000+58 000/100）=6.65 MΩ（線圈繞組溫度100 ℃時(shí)≥6.65 MΩ）。

（2）測量計(jì)算各相線圈繞組的吸收比或極化系數(shù)。

用電動(dòng)兆歐表分別測量并記錄各相線圈繞組在15 s、60 s、600 s 的絕緣電阻值，計(jì)算在40 ℃以下時(shí)Re60 s/Re15 s 的比值（吸收比）≥1.6，或Re10 min/Re1 min 的比值（極化指數(shù)）≥2.0。如吸收比（或極化指數(shù)）≤1.6，判斷絕緣不合格，需對(duì)線圈繞組進(jìn)行干燥。

干燥方法有：對(duì)定子線圈繞組通直流電流進(jìn)行干燥；在定子線圈周圍適當(dāng)部位布置加熱器和通風(fēng)機(jī)進(jìn)行干燥；線圈繞組進(jìn)行干燥時(shí)隨時(shí)監(jiān)測各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

4.4 線圈繞組各相間及對(duì)地直流泄漏及耐壓試驗(yàn)

（1）用直流高壓發(fā)生器對(duì)線圈繞組各相間及對(duì)地直流泄漏及耐壓試驗(yàn)，直流試驗(yàn)電壓按每階段0.5 倍額定電壓分級(jí)上升，在每一級(jí)電壓保持1 min，并讀取直流泄漏電流數(shù)值，最后直流試驗(yàn)電壓升到3Ue即31.5 kV；直流泄漏及耐壓試驗(yàn)接線（圖1）。

圖1 直流泄漏及耐壓試驗(yàn)接線

（2）試驗(yàn)過程中注意觀察及分析，每級(jí)直流電壓達(dá)到并保持時(shí)，直流泄漏電流應(yīng)不隨時(shí)間增加而增大，在要求的試驗(yàn)電壓值下各相泄漏電流的差值不大于最小值的50%。

（3）有異?；虺^要求數(shù)值的需對(duì)相應(yīng)繞組查明原因并處理。

4.5 線圈繞組各相間及對(duì)地交流耐壓試驗(yàn)

4.5.1 交流耐壓試驗(yàn)儀器及設(shè)備

因機(jī)組容量大，對(duì)該機(jī)組定子線圈繞組進(jìn)行交流耐壓的試驗(yàn)設(shè)備采用工頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)儀，主要有可調(diào)電抗器1 套、激勵(lì)變壓器1 套、分壓器1 臺(tái)、調(diào)壓控制臺(tái)1 套（表1）。

表1 交流耐壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格參數(shù)

需調(diào)整的交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備，主要是對(duì)恒定電感器和可調(diào)節(jié)電感器的計(jì)算和選配。根據(jù)定子繞組整體分相耐壓試驗(yàn)（串聯(lián)諧振）接線原理計(jì)算電感量（圖2）。

圖2 定子繞組整體分相耐壓試驗(yàn)接線

式（2）中L0為可調(diào)電抗器電感量，R 為可調(diào)節(jié)電抗器的有功損耗與被試品介質(zhì)損耗等回路綜合損耗的串聯(lián)等效電阻，Cx為定子線圈繞組電容量。

根據(jù)串聯(lián)諧振原理，在感抗XL等于負(fù)載電容的容抗Xcx時(shí)，實(shí)現(xiàn)完全諧振。該機(jī)組定子線圈繞組整體對(duì)地電容為3.96 μF，定子分相電容為1.32 μF，計(jì)算得每相耐壓時(shí)L0=7.68 H，選用可調(diào)節(jié)電抗器的電感調(diào)節(jié)量為（7.7～21）H，能滿足諧振調(diào)節(jié)要求。

電容電流計(jì)算：I=ωCU，計(jì)算可得I=9.948 A。

4.5.2 定子線圈繞組分相交流耐壓

直流耐壓及泄漏試驗(yàn)合格后，發(fā)電機(jī)定子繞組進(jìn)行分相整體耐壓試驗(yàn)。復(fù)查試驗(yàn)接線無誤，檢查低壓電纜的絕緣電阻值＞0.5 MΩ 并對(duì)加壓高壓電纜架空處理；對(duì)定子溫度傳感器和氣隙傳感器引線進(jìn)行短接接地；定子鐵芯和機(jī)座用120 mm2銅纜接地。試驗(yàn)時(shí)非耐壓相的線圈繞組均接地。

該發(fā)電機(jī)額定電壓為10.5 kV，根據(jù)要求，試驗(yàn)電壓為（2Ue+3.0）kV，即24 kV。試驗(yàn)操作是升壓平穩(wěn)，升壓過程中觀察線圈繞組的電暈和放電情況，如有異常，停止試驗(yàn)并檢查處理。

4.6 檢查線圈繞組相間及對(duì)地絕緣、溫度、氣隙傳感器

試驗(yàn)完成后，用2.5 kV 兆歐表檢查定子線圈繞組的絕緣電阻無突變；用低電阻表檢查溫度、氣隙傳感器阻值和絕緣電阻正常。

5 發(fā)電機(jī)定子試驗(yàn)結(jié)果（表2～表4）

表2 絕緣電阻試驗(yàn)和吸收比

表3 定子繞組直流耐壓試驗(yàn)和泄漏電流測量 μA

表4 定子整體耐壓試驗(yàn)

6 結(jié)束語

按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)定子線圈繞組整體試驗(yàn)前后絕緣穩(wěn)定；交、直流耐壓試驗(yàn)結(jié)果平衡且無突變；試驗(yàn)結(jié)果附合要求，定子線圈交直流整體試驗(yàn)通過。目前，機(jī)組均已順利投入運(yùn)行。該水電站是“一帶一路”建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目、中柬能源合作的典范，建成投產(chǎn)后，將對(duì)柬及東南亞地區(qū)加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善民生具有重大意義。