金沙水電站水輪發電機組定子線棒耐壓試驗放電分析

蔡小林

摘要：分析了金沙水電站4號水輪機組定子線棒工頻交流耐壓試驗放電情況，總結了定子線棒出現的各種絕緣問題，并提出了相應的改進措施。結果表明：定子線棒結構和受潮情況是導致線棒放電的主要原因，通過對線棒端頭進行包裹和對線棒進行加熱干燥可以有效緩解線棒放電現象，但并未完全解決線棒耐壓試驗中的放電問題。因此，在設計及生產定子線棒時，可以通過增加中間段主絕緣長度，或直接增加絕緣厚度等手段進一步優化線棒結構以解決線棒試驗放電問題。

關鍵詞： 水輪機發電機組; 定子線棒; 耐壓試驗; 金沙水電站

中圖法分類號：TM312 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.015

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0069 - 03

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，該河段范圍從觀音巖水電站壩址至烏東德水電站庫尾，天然河道長57 km，落差38 m，平均比降0.69‰。河段內金沙江由西至東橫貫整個攀枝花市區，區間流域面積約13.21萬km2。電站正常蓄水位1 022.00 m，校核洪水位為1 025.30 m，相應靜庫容為1.08億m3，電站裝機容量56萬kW，最大壩高66.0 m，多年平均發電量為21.77億kW·h。電站主要開發任務為發電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對觀音巖水電站的反調節作用等綜合功能。

金沙水電站定子繞組采用雙層波繞組形式，所有的線棒接頭連接采用銀銅焊，繞組絕緣為F級絕緣。定子下線施工前需要對單根線棒進行抽檢耐壓試驗，試驗過程中常出現線棒端部R彎處放電現象，放電嚴重的線棒，可能燒壞線棒端部的防暈層，導致耐壓試驗無法通過[1-3]。本文針對金沙水電站4號水輪機組定子線棒工頻交流耐壓試驗放電問題展開了分析。

1 發電機定子繞組參數

金沙水電站發電機定子繞組為三相4支路雙層波繞組形式。定子鐵芯高度為1 578 mm，定子鐵芯內徑為16 350 mm，線槽寬度為20.0 mm×137.8 mm，共計936槽，定子絕緣等級為F級。按照廠家圖紙要求，線棒需放入槽底墊條（半導體層壓板墊條），用整張低阻半導體布包裹定子線棒并隨線棒嵌入槽內， 線槽槽底、槽中及線棒上下層之間均設有測溫元件，測溫元件型號PT100，線圈測溫元件36支，鐵心測溫元件64支，齒壓板測溫元件40支，共140支。繞組端部斜邊墊塊及槽口墊塊均包有環氧適形材料。三相六支路引出采用φ50銅環至定子機座出口和中心處匯流銅環支架，匯流環共9層。

2 4號機組定子繞組試驗

廠家將線棒發貨到現場后，需檢查定子線棒包裝、運輸、儲存后外包裝是否有損毀，定子線棒表面是否有損傷，同時按照要求對單根定子線棒進行抽檢試驗，測絕緣電阻、進行工頻交流耐壓試驗，試驗合格后方可進行安裝工作。

2.1 4號機組定子線棒單獨耐壓試驗

2.1.1 試驗前準備

（1） 試驗場地準備。場地面積約20 m2，并且有可靠的接地樁，同時在試驗場地外掛好安全標識牌并做好安全隔離措施。

（2） 試驗環境的溫度與濕度要求分別小于40 ℃與80%。

（3） 試驗其他人員需分工明確以確保試驗場所內井然有序。

（4） 準備好單根線棒的耐壓試驗設備，放置線棒的平臺及耐壓用的電極。

2.1.2 試驗操作過程

（1） 按要求進行設備接線，并確保所有設備可靠接地。

（2） 將線棒直線部位包以錫箔或鋁箔作為電極（或放入模擬鐵心）。試驗時，允許利用多股柔軟裸銅絞線纏繞于低阻層外作為電極，但纏繞應盡可能緊密且間距不大于10 mm，電極包扎長度1 598 mm。

（3） 線棒端部導體連接高壓線。

（4） 試驗原理如圖1所示。

（5） 測量線棒試驗前絕緣電阻大于200 GΩ，滿足試驗要求。

（6） 開始試驗，逐步提升試驗電壓至40 kV后，保持40 kV的電壓1 min，觀察線棒是否存在放電現象。

（7） 測量線棒試驗后絕緣電阻需大于200 GΩ。

2.1.3 4號機組定子線棒放電問題

金沙水電站4號機組定子線棒單獨耐壓試驗共抽檢96根線棒，其中6根線棒爬電現象明顯;部分線棒在未加壓到額定試驗電壓40 kV時便出現放電現象，還有部分線棒在加壓到額定電壓后保壓時間不足1 min便出現放電現象，放電部位集中在線棒端部R彎處。

2.1.4 4號機組定子線棒現場處理方案

針對部分抽檢線棒存在放電的問題，現場采取了以下兩個處理措施。

（1） 將定子線棒加熱到80 ℃進行干燥，持續12 h，以排除定子線棒因受潮導致絕緣性能下降的因素。使用此處理措施后，對6根不合格線棒重新進行耐壓試驗，其中4根線棒重新試驗合格，還有2根線棒仍然不合格。

（2） 使用絕緣硅膠帶對線棒端頭進行包裹處理，以此增加爬電距離，減緩放電現象的發生。使用以上處理措施后，對試驗不合格的線棒重新進行耐壓試驗，仍然有1根線棒耐壓試驗不合格。

2.2 4號機定子下層線棒耐壓試驗過程

2.2.1 試驗前準備

（1） 各試驗設備正確連接并與定子機殼可靠接地，確保安全。

（2） 試驗其他相關人員分工明確以確保試驗場內井然有序。

（3） 試驗場外掛設安全警示牌以及隔離措施。

（4） 試驗環境的溫度與濕度要求分別小于40 ℃與80%。

（5） 定子要求干燥徹底并清掃干凈。

（6） 確保所有測溫元件可靠接地。

2.2.2 試驗操作過程

（1） 交流耐壓試驗分組進行，升壓時起始電壓不超過耐壓值的1/3，然后逐步升至試驗電壓36 kV，歷時10～15 s，耐壓時間1 min。

（2） 耐壓試驗時，電壓施加于繞組與機殼之間;對于此時不參與試驗的繞組，測溫元件及鐵心等均與機殼連接并接地。

（3） 進行工頻交流耐壓試驗前和試驗后，測量相應繞組的絕緣電阻。

（4） 試驗原理如圖2所示。

2.2.3 下層線棒放電問題

在試驗過程中，試驗電壓升壓至15 kV時，定子兩根線棒下端頭發生放電現象。

2.2.4 現場處理方案

使用石棉被將整個下層線棒包裹住，并將線棒加溫至80 ℃，干燥48 h后重新進行試驗。使用此處理措施后，重新進行耐壓試驗并順利通過。

3 4號機組定子線棒放電現象分析

在進行耐壓試驗時，高壓作用在主絕緣上，如果主絕緣上存在絕緣發空或分層，當電場強度高到使空氣擊穿，就會出現電火花，也就是放電現象[4]。通過試驗可以發現線棒放電位置都集中在線棒端頭高阻帶，中間絕緣的部位基本上沒有放電現象;定子線棒結構和受潮情況是導致線棒放電的主要原因，現場通過對線棒端頭進行包裹和對線棒進行加熱干燥可以有效緩解線棒放電現象。

4 定子線棒放電現象預防措施

為符合定子鐵芯槽的方形空間，線棒也設計成方形，線棒導體的排列截面也是長方形的，這就導致導體表面的電場分布不均勻，角部電場強度高，極易發生局部放電;繞組端部出槽類似套管結構，電場強度較高，也容易發生電暈現象。因此在設計及生產定子線棒時，可以考慮調整優化線棒的等電位結構，以增加防暈長度為目的增加中間段主絕緣長度，或直接增加絕緣厚度，或更換其他絕緣材料以改變其防暈表面電阻率等。同時線棒受潮也是導致線棒放電的一大誘因。因此，在倉儲、運輸及施工安裝中做好防潮措施，可以大大提高定子線棒耐壓試驗合格率。

5 結 語

金沙水電站4號機組定子線棒耐壓試驗線棒出現放電問題，經過現場處理并對試驗不合格線棒進行更換，線棒單獨試驗、上層線棒試驗、下層線棒試驗及定子整體耐壓試驗全部順利完成，并按期完成了機組發電目標。

參考文獻：

[1] 孫永鑫，任鵬，陳陽. 定子線棒表面電位分布原理和影響因素研究[J]. 大電機技術，2021（2）：49-53.

[2] 王振羽. 發電機定子線棒槽放電的影響因素研究[J]. 大電機技術，2021（2）：54-58.

[3] 王立軍，張益中，鄭剛. 高電壓等級發電機定子線棒絕緣技術研究[J]. 電機技術，2020（6）：26-32.

[4] 趙貴前. 發電電動機定子繞組線棒絕緣系統制造采用的局部放電防止技術與監造[J]. 水電與抽水蓄能，2018，4（2）：90-93，89.

（編輯：江 文）

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