大型貫流式機組定子線圈耐壓試驗分析

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、直流耐壓試驗是貫流式發電機定子絕緣試驗項目之一，交流耐壓試驗符合設備實際運行工況，相比其他類型試驗，優勢體現在耐壓試驗時電壓和機組運行的電壓波形、頻率相似，施加在線圈絕緣內的電勢狀況與機組工作時的狀態相同。從絕緣老化試驗或熱擊穿方面分析，定子線圈交流耐壓是對線圈絕緣主要檢驗手段，所以定子線圈交流耐壓試驗普遍應用在在發電機安裝、運行和檢修過程中；直流耐壓試驗，可以從試驗過程中電壓和電流的對應關系中觀察絕緣狀態，在絕緣尚未擊穿前發現或找出缺陷。

柬埔寨桑河二級水電站位于柬埔寨王國境內的桑河干流上，是目前柬埔寨最大的水電工程。電站總裝機容量40 萬千瓦。安裝8 臺中國產的51 MW 貫流式水輪發電機組，工作水頭和機組容量在同類機組中位于世界前列。發電機組長年在數十米的水底運行，很有必要對發電機定子線圈進行耐壓試驗檢查，下面以1 號機組定子線圈的交、直流耐壓試驗方法為例進行分析。

1 定子線圈主要參數

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

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

2 定子線圈交、直流耐壓的檢查項目

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

3 定子線圈交、直流耐壓試驗電源準備

定子線圈交、直流耐壓試驗電源采用380 V 供電，電源容量120 kV·A，試驗電源供電穩定可靠，保護靈敏，選用380 V、200 A 主控斷路器并設定好保護值；根據接線圖將試驗操作臺、升壓設備、高壓測量保護裝置連接好，檢查接線無誤和高低壓電纜線絕緣合格；由試驗工程師對試驗裝置通電操作并檢查，增加或減小電壓、調整氣隙大小、調整過流、過壓保護裝置并動作可靠，對試驗主回路試通電操作檢驗。

4 定子線圈交、直流耐壓試驗步驟及方法

4.1 測量線圈繞組三相及分支回路電阻

該發電機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%；有異常或超過要求數值的需對相應繞組查明原因并處理達標。

4.2 線圈繞組耐壓試驗前檢查溫度、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）測量

（1）用電動兆歐表2500 V 檔自動測量各相間及對地的絕緣電阻應附合下述結果。

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

10.5+1=22 MΩ，（線圈繞組溫度40 ℃時≥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≥6.65 MΩ）。

（2）測量計算各相線圈繞組的吸收比或極化系數。

用電動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，計算在40 ℃以下時Re60 s/Re15 s 的比值（吸收比）≥1.6，或Re10 min/Re1 min 的比值（極化指數）≥2.0。如吸收比（或極化指數）≤1.6，判斷絕緣不合格，需對線圈繞組進行干燥。

干燥方法有：對定子線圈繞組通直流電流進行干燥；在定子線圈周圍適當部位布置加熱器和通風機進行干燥；線圈繞組進行干燥時隨時監測各項數據。

4.4 線圈繞組各相間及對地直流泄漏及耐壓試驗

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

圖1 直流泄漏及耐壓試驗接線

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

（3）有異常或超過要求數值的需對相應繞組查明原因并處理。

4.5 線圈繞組各相間及對地交流耐壓試驗

4.5.1 交流耐壓試驗儀器及設備

因機組容量大，對該機組定子線圈繞組進行交流耐壓的試驗設備采用工頻串聯諧振試驗儀，主要有可調電抗器1 套、激勵變壓器1 套、分壓器1 臺、調壓控制臺1 套（表1）。

表1 交流耐壓實驗設備規格參數

需調整的交流耐壓試驗設備，主要是對恒定電感器和可調節電感器的計算和選配。根據定子繞組整體分相耐壓試驗（串聯諧振）接線原理計算電感量（圖2）。

圖2 定子繞組整體分相耐壓試驗接線

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

根據串聯諧振原理，在感抗XL等于負載電容的容抗Xcx時，實現完全諧振。該機組定子線圈繞組整體對地電容為3.96 μF，定子分相電容為1.32 μF，計算得每相耐壓時L0=7.68 H，選用可調節電抗器的電感調節量為（7.7～21）H，能滿足諧振調節要求。

電容電流計算：I=ωCU，計算可得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合格后，發電機定子繞組進行分相整體耐壓試驗。復查試驗接線無誤，檢查低壓電纜的絕緣電阻值＞0.5 MΩ 并對加壓高壓電纜架空處理；對定子溫度傳感器和氣隙傳感器引線進行短接接地；定子鐵芯和機座用120 mm2銅纜接地。試驗時非耐壓相的線圈繞組均接地。

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

4.6 檢查線圈繞組相間及對地絕緣、溫度、氣隙傳感器

試驗完成后，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 發電機定子試驗結果（表2～表4）

表2 絕緣電阻試驗和吸收比

表3 定子繞組直流耐壓試驗和泄漏電流測量 μA

表4 定子整體耐壓試驗

6 結束語

按照試驗標準，發電機定子線圈繞組整體試驗前后絕緣穩定；交、直流耐壓試驗結果平衡且無突變；試驗結果附合要求，定子線圈交直流整體試驗通過。目前，機組均已順利投入運行。該水電站是“一帶一路”建設的重點項目、中柬能源合作的典范，建成投產后，將對柬及東南亞地區加快經濟發展、改善民生具有重大意義。