700 MW 水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)絕緣測(cè)量常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

劉國(guó)建，徐長(zhǎng)福，張小永

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻是判斷發(fā)電機(jī)絕緣狀況，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要依據(jù)[1]。絕緣電阻是加在被測(cè)試電氣設(shè)備上的直流電壓U與流過(guò)的電流I之比。對(duì)于定子繞組采用水內(nèi)冷冷卻方式的發(fā)電機(jī)，其絕緣測(cè)量值可能與線棒表面的工藝處理、發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)的受潮程度、純水導(dǎo)電率大小、發(fā)電機(jī)風(fēng)洞的溫濕度、發(fā)電機(jī)直連的設(shè)備的絕緣程度、測(cè)試儀（不同測(cè)試儀有不同的原理）、線圈中測(cè)溫傳感器RTD 的絕緣情況等有關(guān)[4-5]。對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組進(jìn)行絕緣測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)定子絕緣電阻測(cè)量值分散性很大，甚至?xí)霈F(xiàn)定子絕緣電阻測(cè)量值為零的情況，導(dǎo)致無(wú)法根據(jù)絕緣電阻測(cè)量值判斷發(fā)電機(jī)定子繞組真實(shí)絕緣狀況。

1 水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子絕緣測(cè)量原理

水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻測(cè)量一般采用低壓屏蔽法[3]。水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻加直流電壓時(shí)，定子繞組流過(guò)一部分電流IX，純水流過(guò)另一部分電流IK，若IX、IK混合在一起，則不能準(zhǔn)確測(cè)量定子繞組的絕緣電阻，因此必須采用低壓屏蔽法將IX、IK區(qū)分開(kāi)來(lái)，試驗(yàn)原理如圖1 所示。由于微安表與匯水管對(duì)地電阻相并聯(lián)，IX=I′X（1+RA/RH）；RA：微安表內(nèi)阻；RH：匯水管對(duì)地絕緣電阻。

圖1 水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子絕緣測(cè)量原理圖

一般情況下，微安表內(nèi)阻RA實(shí)際很小，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子絕緣RX良好，匯水環(huán)管對(duì)地絕緣RH良好（RH≥3 kΩ），流經(jīng)匯水環(huán)管RH的電流很小，大部分的電流都經(jīng)微安表回到測(cè)量?jī)x器，這時(shí)候I′X≈IX，定子絕緣等效對(duì)地電阻RX實(shí)際上就是加在絕緣體上的直流電壓U與微安表上的泄漏電流I′X之比，即：RX=U/I′X。

測(cè)量發(fā)電機(jī)定子絕緣時(shí)還需測(cè)得吸收比K，吸收比是指60 s 與15 s 兩個(gè)時(shí)刻的定子繞組絕緣電阻值相比，即K=R60s/R15s，吸收比K是判斷發(fā)電機(jī)定子是否受潮的判據(jù)之一，吸收比K試驗(yàn)適用于容量較大的電氣設(shè)備（如發(fā)電機(jī)和變壓器等），其測(cè)量原理如圖2 所示是：測(cè)量發(fā)電機(jī)定子絕緣對(duì)發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子干燥，搖測(cè)到15 s 時(shí)，充電電流數(shù)值比較大，測(cè)量值R15s相對(duì)較小；搖測(cè)到60 s 時(shí)，發(fā)電機(jī)定子充電已基本完成，充電電流已經(jīng)減小，測(cè)量值阻R60s相對(duì)較大，吸收比K數(shù)值較大，實(shí)際工作中要求吸收比K＞1.3。

圖2 絕緣正常時(shí)的吸收曲線

2 實(shí)際發(fā)電機(jī)絕緣電阻測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不足

（1）匯水環(huán)管安裝在定子線棒下端，純水匯水環(huán)管采用一點(diǎn)接地方式運(yùn)行，與支撐構(gòu)架及風(fēng)洞外純水管道通過(guò)絕緣材料隔離絕緣，在匯水環(huán)管與純水進(jìn)、出風(fēng)洞管道連接處，從純水進(jìn)環(huán)管及純水出環(huán)管上各引一根接地線就近進(jìn)行接地，如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 A 接地線與純水進(jìn)環(huán)管連接

圖4 B 接地線與純水出環(huán)管連接

圖5 匯水環(huán)管引出線位置圖

在測(cè)量發(fā)電機(jī)定子絕緣時(shí)，測(cè)量人員需將匯水環(huán)管兩處接地引線與接地裝置斷開(kāi)，并通過(guò)測(cè)試線接入水內(nèi)冷絕緣表“屏蔽端”。存在以下問(wèn)題：①測(cè)試點(diǎn)距離下風(fēng)洞入口較遠(yuǎn)，約30 m，人員進(jìn)出及設(shè)備搬運(yùn)不便；②兩處接地點(diǎn)反復(fù)拆裝后容易造成接地螺絲滑絲，更換滑絲的螺絲施工地狹窄，不利于更換工作；③下風(fēng)洞結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在一定安全隱患。

（2）20 kV 電壓互感器裝設(shè)在勵(lì)磁變柜內(nèi)，每相裝設(shè)有4 個(gè)PT，一次尾接地方式為：每相4 只電壓互感器一次繞組末端相互短接后引出，接地短接線引出后與其接地引下線連接，并通過(guò)勵(lì)磁柜內(nèi)專用接地銅排接地。測(cè)量發(fā)電機(jī)定子絕緣時(shí)，要分別將三相內(nèi)PT 一次尾接地引線與地?cái)嚅_(kāi)，現(xiàn)場(chǎng)工作中，由于螺栓較小，在拆裝的過(guò)程中難免會(huì)引起滑絲的情況出現(xiàn)，造成PT 一次尾不可靠接地，形成高壓虛電位，在機(jī)組運(yùn)行中一旦有此情況發(fā)生，容易造成設(shè)備和人身傷害，如圖6 所示。

圖6 PT 接地方式完善前示意圖

3 實(shí)際工作中發(fā)電機(jī)絕緣電阻測(cè)量值不精確

若只測(cè)量發(fā)電機(jī)定子的絕緣，需將發(fā)電機(jī)出口及發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)斷引，工作量較大。因此實(shí)際發(fā)電機(jī)絕緣電阻測(cè)量不僅是發(fā)電機(jī)本身的絕緣，還包含了發(fā)電機(jī)出口封閉母線、主變低壓側(cè)繞組、勵(lì)磁變繞組、PT一次側(cè)繞組、避雷器的絕緣情況，如圖7 所示[2]。

圖7 發(fā)變組主接線圖

（1）以測(cè)量定子絕緣包含電壓互感器PT 為例，定子和PT 受潮或絕緣較低時(shí)的吸收過(guò)程如圖8 所示，此時(shí)測(cè)得的電流i=iR+iPT，PT 絕緣低時(shí)，由于PT和發(fā)電機(jī)的吸收過(guò)程不同，PT 的充電電流很快可以到達(dá)穩(wěn)定值，而發(fā)電機(jī)的吸收過(guò)程較長(zhǎng)，吸收比K=R60s/R15s=i′15s/i′60s，由圖中可看出，由于PT 受潮或絕緣較低的影響，iPT會(huì)增大，i′60s和i′15s的值都偏大，但i′60s的值衰減不明顯,導(dǎo)致i′15s/i′60s減小，吸收比K減小，吸收比不合格。

圖8 PT 受潮或絕緣較低時(shí)的吸收曲線

（2）當(dāng)PT 受潮或絕緣較低時(shí)，iPT會(huì)增大，因絕緣兆歐表此時(shí)測(cè)得的電流i′也會(huì)增大，測(cè)量電阻值R=U/i′，測(cè)量電阻值變小，測(cè)量電阻值不合格。

（3）由于發(fā)電機(jī)出口及中性點(diǎn)不斷引，絕緣測(cè)量值包含定子繞組、封閉母線、主變低壓側(cè)、勵(lì)磁變、廠高變、PT 一次側(cè)的絕緣情況。當(dāng)專用兆歐表容量較小時(shí)，無(wú)法對(duì)測(cè)量設(shè)備完成充電，兆歐表電壓升不起來(lái)，加之充電電流也大，這樣反映到兆歐表顯示的絕緣電阻值就等于或接近于零。測(cè)得定子線圈絕緣電阻為零的現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是兆歐表容量太小，當(dāng)然也不能完全排除確實(shí)是絕緣電阻太低的緣故。

（4）純水電導(dǎo)率較高，定子繞組對(duì)純水環(huán)管的等效電阻較小，流經(jīng)發(fā)電機(jī)定子的電流變少，測(cè)量?jī)x表不能正常建壓，測(cè)量值不準(zhǔn)確。

（5）當(dāng)純水匯水環(huán)管存在接地，純水匯水環(huán)管對(duì)地絕緣電阻很小時(shí)，流經(jīng)匯水環(huán)管的電流會(huì)變大，經(jīng)微安表回到測(cè)量?jī)x器的電流會(huì)減少，得到的定子絕緣等效對(duì)地電阻測(cè)量值會(huì)失真。

通過(guò)表1 可知：定子絕緣測(cè)量不合格的情況有：①絕緣吸收比不合格，原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)定子及其相連接的電氣設(shè)備存在受潮情況；②測(cè)量值虛假，較正常值偏大幾倍（達(dá)到GΩ 級(jí)別），原因?yàn)閰R水環(huán)管與相鄰金屬回路有搭接，匯水環(huán)管對(duì)地絕緣低；③測(cè)量值偏低，原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)及相連的電氣設(shè)備存在受潮或相連的電氣設(shè)備存在支撐絕緣子對(duì)地絕緣低。

表1 實(shí)際發(fā)電機(jī)絕緣值測(cè)量不準(zhǔn)確事件表

4 針對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣電阻測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)提出3 點(diǎn)改進(jìn)

4.1 發(fā)電機(jī)匯水環(huán)管的接地點(diǎn)改進(jìn)

改進(jìn)方法：將發(fā)電機(jī)匯水環(huán)管兩根環(huán)管的兩個(gè)接地點(diǎn)A、B（圖9）通過(guò)電纜現(xiàn)地短接后，再由B 點(diǎn)通過(guò)一根公共絕緣電纜走電纜橋架引至下風(fēng)洞入口處進(jìn)行接地，便于工作人員在下風(fēng)洞入口處進(jìn)行發(fā)電機(jī)絕緣測(cè)量工作，以排除安全隱患，提高工作效率。

圖9 改進(jìn)后的匯水環(huán)管引出線位置圖

4.2 PT 高壓繞組接地端的接線改進(jìn)

改進(jìn)方法：將三相PT 一次尾引至一個(gè)可靠接地點(diǎn)，如圖10 所示。針對(duì)勵(lì)磁變柜內(nèi)發(fā)電機(jī)出口電壓互感器接地工作方式為每相電壓互感器獨(dú)立接地的情況，將每相獨(dú)立接地點(diǎn)拆除，通過(guò)電纜將三相接地點(diǎn)連接后經(jīng)同一個(gè)接地點(diǎn)接地。

圖10 PT 接地方式完善后示意圖

4.3 更換為容量更大的專用兆歐表

定子絕緣電阻測(cè)量是連同主變和封閉母線的三相一起測(cè)，這樣就需提供更大的充電電流，可更換為容量更大的專用兆歐表。

5 測(cè)量發(fā)電機(jī)絕緣異常的排查解決方法

當(dāng)發(fā)電機(jī)的絕緣測(cè)量值出現(xiàn)異常，按如下方法依次排查：

①測(cè)試前純水電導(dǎo)率較高，先降低純水的電導(dǎo)率；②純水匯水環(huán)管對(duì)地絕緣較低，查找絕緣低故障點(diǎn)時(shí)，采用直流壓降法，匯水環(huán)管對(duì)地加一個(gè)直流電流（5 A 左右），測(cè)量金屬支撐處匯水管的對(duì)地電壓，若電壓約為0 V，則可判斷該匯水管金屬支撐處為故障接地；若排查的匯水環(huán)管的疑似部位對(duì)地絕緣良好，則需查找匯水管內(nèi)測(cè)溫電阻RTD 是否有短接接地情況；③測(cè)量回路有受潮時(shí)，開(kāi)啟機(jī)坑加熱器、勵(lì)磁變及廠高變加熱器，烘干一段時(shí)間后再次測(cè)量；④斷開(kāi)PT 一次尾電纜，然后測(cè)量定子絕緣；⑤將廠高變高壓側(cè)與發(fā)電機(jī)出口母線斷引，然后測(cè)量定子絕緣；⑥將勵(lì)磁變高壓側(cè)與發(fā)電機(jī)出口母線斷引，然后測(cè)量定子絕緣；

通過(guò)以上方法逐步排查后，測(cè)量值仍不合格，發(fā)電機(jī)內(nèi)部存在真實(shí)絕緣問(wèn)題，應(yīng)對(duì)定子繞組仔細(xì)查找故障點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

大型水輪機(jī)組發(fā)電機(jī)絕緣測(cè)量時(shí)，考慮到其結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)安裝情況復(fù)雜，工作中面臨的安全隱患較多。本文所闡述的3 點(diǎn)改進(jìn)措施，即發(fā)電機(jī)匯水環(huán)管的接地點(diǎn)改造、PT 高壓繞組接地端的接線改造和更換為容量更大的專用兆歐表以及發(fā)電機(jī)的絕緣測(cè)量值出現(xiàn)異常的排查方法已經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，效果良好，既簡(jiǎn)化了工作量，又杜絕了安全隱患。