22kV级汽轮发电机定子整机介质损耗测试研究

任东滨，胡 波，张小俊，刘 伟

（东方电气集团东方电机有限公司研试中心，四川 德阳 618000）

前言

介质损耗是绝缘材料的固有特性，采用相同绝缘结构、相同工艺生产的电机，应有相近似的介质损耗值，以此可判断电机绝缘是否存在异常。现在对单根线棒介质损耗有行业标准。由于发电机定子整机介质损耗受测试设备、测试方法和测试环境以及发电机绝缘结构等的影响，目前国内外发电机行业还没有统一的整机介质损耗标准，公开报道的试验数据也很少。

我公司自2000年开始进行大型汽轮发电机定子整机介质损耗测试工作，积累了多种类型和容量发电机的介损测试数据，发现并解决了很多测试过程中存在的问题。

本文重点介绍大型汽轮发电机定子整机介质损耗的测试原理、测试方法、影响因素、测试数据以及数据分析，提出适合22kV级汽轮发电机定子整机介损要求。

1 介质损耗理论

1.1 介质损耗测试原理

介质损耗因数简称介损，是指在交流电压下绝缘内部有功损耗和无功损耗的比值。绝缘结构确定后，介损值是一个相对稳定的电参数。测试介质损耗的传统方法是采用高压西林电桥。电桥的基本回路如图1（a）所示，测试时在试品Z1上施加高电压，调节电阻R3和电容C4使电桥平衡，即检流计G的电流示数为0。当电桥平衡时，点B与点C的电位相等，此时各桥臂阻抗存在式（1）所示关系，经推导可计算tanδ，如式（2）所示，δ角定义如图1（b）所示。

图1（a）也称为西林电桥的正接法，即在汽发定子绕组引线上施加高电压，从定子机座上取低压测量信号，它要求定子机座必须对地绝缘，测试单根线棒、半成品定子、中小型电机等采用此方法。当电机定子机座无法对地绝缘（如安装好的发电机定子），必须采用反接法进行测试，从高压侧取得测量信号，测试方法复杂且有一定的危险性。

1.2 介质损耗测试新方法

为解决高压西林电桥在测试精度、功能、安全、简易性等方面的缺陷，近年来国内外多家公司研制开发出多款新型介损测试仪器，如 HV9003、LDSV-6、LDSV-7等设备，能够满足各型产品的测试要求。特别是针对定子机座接地条件下的大型汽轮发电机定子整机介质损耗的反接法测试，利用光电耦合器件在高压线路上采集电流、相位等数据，比较参考回路和测试回路的电流数值和相位差异并计算出试品的介损值（也称为相位比较法）。该方法的接线如图2所示。

图1 高压西林电桥的原理图

图2 整机介质损耗的反接法测试线路

1.3 整机介质损耗的影响因素

相对于单根线棒的介损测试，整机介损测试更加复杂，容易受到更多因素的影响。

1.3.1 环境温度

一般来说，温度越高，绝缘内部电导电流和绝缘表面泄漏电流越大，则整机介损越大。

1.3.2 环境湿度

湿度较高时，绝缘表面可能吸附潮气并形成一层不连续的水膜，引起介损测量值的变化，影响测试准确性。

1.3.3 电磁环境

因为整机介损采用两电极测量系统，即整个定子暴露在环境电磁场下，无法进行有效的屏蔽，因此对试验设备和试验回路的抗干扰性能也提出了较高要求。

1.3.4 测试回路

测试回路，包括测试设备、电源质量、测试方法、测试流程、接线方式等均可能对测试结果造成一定的影响。

1.3.5 绝缘结构和绝缘材料

测试时绕组引线为高压极，定子机座和铁心为测量电极，此时槽内绝缘结构和绝缘材料对测量结果产生影响，而且绕组端部污秽情况会对测量结果产生影响。

2 整机介损测试数据

应客户要求，公司自2000年开始使用2801高压西林电桥、HV9003介质损耗测试仪、LDSV -6介损局放测试仪等设备测试汽发定子整机介质损耗。22kV汽轮发电机（容量600MW-700MW）整机介损测试结果见表 1～3。

2.1 几点说明

（1）采用两电极测量系统测试整机介损。

（2）整机介损测试以一相绕组为测试对象，所有测试数据取自升压过程。

（3）绕组通水测试时，按相关标准进行修正。

2.2 整机介损测试结果

表1 2801电桥整机tanδ测试结果 %

表2 HV9003测试仪整机tanδ测试结果 %

2.3 升压、降压过程整机介损测试数据

在升压和降压过程中，相同电压下介损值不同，如图3所示。

图3 升降压过程整机介损测试结果

2.4 正接、反接条件下测试数据

使用不同的接线方法测试同一台电机整机介损，结果如图4所示。

图4 正接、反接条件下整机介损测试结果

表3 LDSV-6测试仪整机tanδ测试结果 %

3 对整机介损测试结果的数值分析

3.1 整机介损整体趋势

整机介损测试结果如图5所示，随着电压升高，整机介损测量值逐渐增大。

图5 22kV级汽发定子整机介损结果

3.2 在0.2Un电压下整机介损分析

在0.2Un电压下，整机介损最大值为2.83%，最小值为 0.79%，平均值为 1.17%。tanδ数值主要分布在0.70%～1.40%之间，在 1.5%～2.8%之间有少量分布，数据总体分布呈不对称状态，如图6所示。

图6 在0.2Un电压下整机介损测量值分布情况

3.3 在0.6Un电压下整机介损分析

在该试验电压下，整机介损最大值为 3.19%，最小值为1.40%，平均值为1.96 %。

介损测试结果分布频数如图7所示，数值主要分布在1.60%～ 2.40%之间。在2.5%～3.0%之间有少量分布，数据总体分布呈不对称状态。

图7 在0.6Un电压下整机介损测量值分布情况

3.4 在1.0Un电压下整机介损分析

在1.0Un电压下，整机介损最大值为4.20%，最小值为 1.80%，平均值为 2.85 %。数值主要分布在2.50%～4.0%之间，整机介损值分布情况如图8所示。

图8 在1.0Un电压下整机介损测量值分布情况

3.5 介损增量Δtanδ分布范围

用 Δtanδ1代表 tanδ0.6Un与 tanδ0.2Un的差值，Δtanδ1分布情况如下：最大值为1.20%，最小值为0.28%，平均值为0.74 %。Δtanδ1分布情况如图9所示。

用 Δtanδ2代表 tanδ1.0Un与 tanδ0.6Un的差值，其分布情况如下：最大值为2.0%，最小值为0.30%，平均值为0.99%。Δtanδ2分布情况如图10所示。

总体而言，在高中物理解题思维训练中，教师要善于引导通过解题来锻炼多种思维技能，多归纳、多总结，针对不同题型来寻找更合适的解题思维，强化解题能力.另外，物理题在解题方法上，我们同学们要在平时加以训练，突出解题思维的启发，掌握更多解题技巧.

4 对整机介损测试结果的几点分析

由图6～8可知，介损测量值有一个相对集中的区域与一个偶然分布区域。这是因为现场试验时，整机介损测试采用二电极系统，定子放置在定子总装现场，周围有天车、车床、焊机等电器设备，电磁干扰很大，而且无法进行有效屏蔽。各种干扰信号叠加在测量信号上，影响测试结果的准确性。特别是在较低试验电压下，测量信号较小，受到影响更大。

图9 整机介损增量Δtanδ1分布情况

图10 整机介损增量Δtanδ2分布情况

对于同一台电机来说，不同接线方式的测试结果也会不同，一般来说正接法测试结果要大于反接法测试结果。这是因为正接法从低压侧取得信号，信号强度较小，用同轴屏蔽电缆传输至设备，易于被干扰；而反接法从高压侧取得信号，信号强度较大，转换成光信号后用光纤传输至设备，光信号不易被干扰。因此，当测试条件许可时，应尽量采用反接方式，从高压侧取信号，用光缆传输至测试设备。

定子整机介损在升、降压过程中得到的数值也有一定差异。在升压过程中，当外施电压超过绕组绝缘起始放电电压（PDIV）时，发生局部放电并产生有功损耗，引起整机介损的增加。在降压过程中，当外施电压低于绕组绝缘起始熄灭电压（PDEV）时，局部放电消失，引起整机介损的降低。一般来说，PDIV大于PDEV。因此，降压过程的介损数值大于升压过程的介损数值。22kV级绕组的局部放电（PD）实测值如图11所示。

综上所述，对于22kV汽轮发电机定子整机介质损耗（绝缘结构为多胶模压线棒且定子槽内半导体垫条），通常的实测数据范围如式（3）所示。

测试时注意事项：

测量整机介损，应特别注意降低环境干扰，尽量避免大型电器设备干扰。建议选择晚上或节假日进行整机介损测试。

图11 22kV级绕组的PD实测值

对于采用谐振变压器的高压设备，测试前应带负载先施加1次高压，该电压应不低于最高测试电压，以便于设备调谐；同时该过程也相当于对试品做1次交流耐压预防性试验，避免发生安全事故。

测试时，环境湿度应不大于60% ，尽量避免在阴雨天气进行试验。

5 结束语

IEC、IEEE等国际标准虽然规定了定子整机介质损耗的推荐方法，但是并未规定整机介质损耗的考核标准。本文通过对多台22kV级汽轮发电机分相定子整机的介损测试数据的整理和分析，找出了整机介损的分布范围和分布特点，为下一步制订整机介损标准打下了基础。同时有利于满足众多涉外项目的技术要求，对国内发电设备制造行业的发展具有一定的积极意义。

[1]IEC 60894-1987，Guide for Test Procedure for the Measurement of Loss Tangent of Coils and Bars for Machine Windings[S].

[2]IEEE Std 286-2000, IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation[S].