透平发电机绝缘干燥方法研究及其实际应用

李光明

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150000)

0 引言

在沿海城市或热带雨林地区，空气湿度长期在80%以上，该地区电站安装发电机设备过程中，如果维护不当，极易造成发电机绝缘受潮。发电机在正常安装或停机维护过程中，应该及时开启加热器以保证发电机膛内干燥。加热器应该安装在发电机进风口附近或者发电机底部风室腔内，这样干燥效率会比较高。如果发电机在安装或停机维护过程中没有及时开启加热器或加热器效率过低，均会导致发电机绝缘受潮及绝缘电阻值降低。在介绍常规发电机绝缘干燥维护方法的基础上，提出在特殊条件下全氢冷燃气轮发电机迅速去除潮湿提高绝缘电阻值的有效方法及实际运用。

1 透平发电机绝缘干燥介绍

发电机在出厂装运甚至在电站安装过程中，其绝缘电阻值发生变化的现象比较常见，我们通过测量其极化指数或者吸收比来进行评估。测量发电机定子绝缘之前，需要确保发电机引出线与外部的封闭母线、中性点接地、局部放电、中性点隔离变压器等所有连接均断开，否则就相当于多个对地电阻并联而导致测量结果偏低。一般情况下定子绕组绝缘极化指数在2.5以上，转子绕组在1.25以上标志着发电机比较清洁干燥。实际上国内电网一般要求发电机定子绕组可以不经过干燥处理直接启机运行的条件是：吸收比不小于1.6或极化指数不小于2.0；40 ℃时三相绕组并联对地绝缘电阻值不小于(Un+1)MΩ(取Un的千伏数，下同)。分相试验时，不小于2(Un+1)MΩ(若定子绕组温度不是40 ℃，绝缘电阻值应进行换算)。如果要做耐压试验，建议极化指数要在2.5以上[1]。燃机发电机在旋转整流模块上的测试电压不应该超过500 V，在定子绕组上使用正常伺服电压，允许有较低的极化指数，其中使用500 V摇表测量60 s定子绝缘电阻应该接近80 MΩ以上，转子绝缘电阻达到20 MΩ以上。低于以上值建议进行干燥处理。

发电机可以采用“开路法”和“短路法”进行干燥，这两种方法都很有效，区别在于“短路法”不可用于具有联合循环的发电机。干燥过程应该在发电机处于空气介质环境中进行，发电机需要符合汽轮机运行要求，处于低速运转(50%～100%额定转速)。

1.1 水冷发电机

水冷发电机绝缘干燥过程中应该注意：(1)用摇表测量定子绕组绝缘之前应该将定子绕组内部的水彻底抽干(使用水内冷发电机绝缘测试仪除外)。(2)进入离子交换器的循环水不应超过50 ℃。(3)如果只需要给转子除潮，可在定子通水环境下进行，控制定子出水温度在70～80 ℃范围内，可以加快转子除潮速度。

1.2 利用LCI(Load Commutated Inverter负载换相式电流源型变频器)变频启动的汽轮发电机

利用LCI启动装置作为发电机的启动电源，在给发电机绝缘进行干燥时应该注意以下几点：(1)不适合采用“短路法”进行除潮。(2)当LCI通电并与发电机端导通时，低于额定转速的发电机必须和汽轮机按正常启动程序下的转速要求保持一致(不推荐这种依靠变频启动并保持低速运转的除潮方法，会比较危险)。(3)全氢冷发电机在空气介质中利用LCI启动并低速运转时，要保证停止余热锅炉热启动，停止水洗和净化等系统的运行[2]。(4)LCI停止启动并与发电机线路断开时可以使用“开路法”进行发电机除潮，需要利用其它装置实现转子旋转并控制转子转速。

1.3 发电机“开路法”除潮

“开路法”可以应用于一般所有机型，包括联合循环的机组。转子在50%～100%的额定转速范围内运转，额定转速励磁时，转子的励磁电流在定子上感生端电压，不应该超过115%的额定端电压。控制转子最高温度不超过100 ℃，定子线圈温度不超过80 ℃。降低转速或励磁，使发电机线圈温度达到最高温度，维持不少于6 h。发电机上的冷却器可以通入一定温度的水，控制水流使冷却器的出风温度在55～65 ℃。在以上干燥过程中，要求在正常时间间隔内读取并记录相关数据。关注绝缘电阻随时间变化曲线，也包括从发电机排出的气体湿度变化，定子绕组、转子绕组温度变化情况。隔6～8 h后停机，稳定后用摇表测量发电机绝缘电阻情况。

1.4 发电机“短路法”除潮

将发电机定子绕组三相引出线全部短接，整个电路包括电流互感器(出线罩内)和线圈绕组。按照汽轮机运行要求发电机转子在接近额定半速条件下运行，转子可以通入直流电流并应注意以下几点：(1)传统空冷、氢冷发电机，转子励磁电流在定子感生短路电流，达到其额定电流的56%。(2)油冷发电机，转子励磁电流要求定子感生短路电流，达到其额定电流的35%。(3)油冷或水冷发电机，在冷却液抽空或者不循环的条件下，转子励磁电流要求定子感生短路电流，达到其额定电流的28%。除了以上需要注意的几点，在“开路法”中对于温升、时间的控制也适用于本方案。

1.5 通入直流电流对转子进行干燥(静态)

本方法中转子是静止状态，且属于转子绕组内部受潮，测量转子绝缘电阻非常低(低于500 kΩ)。需要维持在100～110 ℃增加除潮速度的情况时，本方法是最好的选择，但电机运转情况下维持以上温度并不现实。静止状态下，转子集电环电刷不应该和转子集电环接触，通直流的铜导线应该直接和转子集电环相连。铜导线接头应该和集电环有足够大的接触面，确保转子集电环表面不会过热。

四极转子，可以通入空载励磁电流的50%，两极转子，可以通入空载励磁电流的25%。状态稳定之前，如果以上电流值并不能提高相应转子绕组温度，使其达到100～110 ℃，可以考虑将原转子通入的电流增加5%。每增加5%的电流将会使转子绕组的温度相应提高10%。要注意标准的临时热电偶或者一般温度计应该固定在转子两端护环中心处相应底匝线圈表面处，和根据转子绝缘电阻推算出来的转子平均温度对照并一起进行监控。由于没有转子本体的体积大，转子绕组端部和转子护环容易较快加热，所以要在该部位进行监控。加热转子时，加强其周围的空气流通可以提高除去转子表面潮湿的速度。可以考虑打开端盖或者人孔盖板，用风扇往转子表面吹风[3]。

通过测量转子直阻，可以参考下面公式计算转子温度：

(1) 铜线(含银)绕组

(2) 铝线绕组

式中：T为转子绕组热态温度℃；R1为转子绕组冷态(温度为t时)直流电阻Ω；R2为转子绕组热态(温度为T时)直流电阻Ω；t为转子绕组的冷态温度℃。

R1、R2可以直接用精度比较高的量表直接测量，转子冷态的直流电阻推荐使用直流双臂电桥测量。

2 实际应用和具体改进

在燃机发电机实际安装过程中尤其在穿转子后到端盖轴承油密封投运之前，发电机内部和周围环境没有隔绝，发电机定子和转子绝缘受周围环境湿度的影响很大。即使投入加热器依然效果甚微，其根本原因是由于加热器安排的位置并不合理。该结构发电机汽、励端加热器均分布于内端盖和大端盖之间，且处于水平中心线以上位置见图1，加热器所产生的热量被内端盖阻挡，很难进入发电机定子、转子绕组表面。在端盖轴承油密封系统投运之后，转子可以进行盘车操作，而由于盘车速度有限，加热器产生的热量无法充分得到循环，除去发电机内部潮湿的效果并不明显。发电机进行到盘车阶段，接下来就是启机或进一步调试，此时发电机绝缘受潮成为制约工程进展的重大因素。

图1 发电机加热器安装位置示意图

燃机发电机有别于常规燃煤汽轮发电机的启动方式，在于燃机发电机需要通过变频启动并拖动燃气轮机达到自持转速[4-5]，所以无法按照常规汽轮发电机方式启机，并在额定转速下空转达到高效除潮的目的。在准备启机调试之前，横琴1#燃机发电机由于绝缘受潮其定子绝缘电阻R60S低于80 MΩ，无法用LCI直接启动的方法去对发电机进行干燥，更不具备“开路法”和“短路法”干燥发电机的条件。对于转子采用1.5章节的方法进行快速干燥，集电环励磁刷架采用四个热光灯集中加热的方法，均有效的在本项目中得到实际应用。

图2 用焊接机作为直流电源接线简图

针对该燃机发电机定子无法正常进行绝缘干燥问题，提出在发电机进气管道通入80 ℃的热空气，由于进气量有限，在实际操作过程中收效甚微。为此采用直接在定子绕组输出端直接通入直流电流的办法，快速有效地提高发电机绝缘电阻。实际操作过程中选择焊接机直接和电枢绕组输出端形成回路如图2所示[6]。

理论上选择输出直流电流在1 800 A，每相电流约600 A，本台定子每相直流电阻(75 ℃)0.001 071 Ω，经过理论估算每小时线圈能够提高温度1 ℃，再根据在线检测定子绕组，线圈实际温度值控制输出直流电流值。在实际操作过程中没有采用这么高的电流，直流电源输出电流控制在400～500 A，在加热48 h后线圈温度平均达到55 ℃，比原来温度增长了6～10 ℃，定子绕组各相绝缘电阻已经有了明显的增加，R60S增长到200～500 MΩ左右见表1，具备了启机条件和做交流耐压试验条件。全氢冷燃机发电机不做定子绕组泄漏电流和直流耐压试验，交流耐压试验按照2Un，1 min标准执行。

3 总结

燃汽轮发电机特殊的启机方式制约着其绝缘干燥方法的选择，结构上应该考虑在发电机绕组底部增加加热器，这样在停机时更有利于进行发电机绝缘维护。利用焊接机作为直流电源只和发电机定子绕组端部连接，直接加热定子线棒的方法是可行有效的。

表1 发电机绝缘电阻和吸收比变化