大型贯流式机组定子线圈耐压试验分析

刘国虎

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410001）

0 引言

交、直流耐压试验是贯流式发电机定子绝缘试验项目之一，交流耐压试验符合设备实际运行工况，相比其他类型试验，优势体现在耐压试验时电压和机组运行的电压波形、频率相似，施加在线圈绝缘内的电势状况与机组工作时的状态相同。从绝缘老化试验或热击穿方面分析，定子线圈交流耐压是对线圈绝缘主要检验手段，所以定子线圈交流耐压试验普遍应用在在发电机安装、运行和检修过程中；直流耐压试验，可以从试验过程中电压和电流的对应关系中观察绝缘状态，在绝缘尚未击穿前发现或找出缺陷。

柬埔寨桑河二级水电站位于柬埔寨王国境内的桑河干流上，是目前柬埔寨最大的水电工程。电站总装机容量40 万千瓦。安装8 台中国产的51 MW 贯流式水轮发电机组，工作水头和机组容量在同类机组中位于世界前列。发电机组长年在数十米的水底运行，很有必要对发电机定子线圈进行耐压试验检查，下面以1 号机组定子线圈的交、直流耐压试验方法为例进行分析。

1 定子线圈主要参数

定子绕组为三相双层二支路“Y”形连接条式波绕组结构。线棒端部采用支撑环、层间端箍并利用绑扎带进行端部固定。线棒采用银铜焊连接成各支路，通过铜环引线引出与升压设备连接。

主要参数为：额定功率58 MV·A；额定电压10.5 kV；额定电流3234 A；并联支路数a=2；绕组相数3 相；绕组型式为双层波绕组；定子铁芯396 槽；节距为1-8-183。

2 定子线圈交、直流耐压的检查项目

线圈绕组三相及分支回路电阻的测量；线圈绕组耐压试验前温度、气隙等传感器检查：线圈绕组相间及对地的绝缘电阻值、吸收比（或极化指数）测量；线圈绕组各相间及对地直流泄漏及耐压试验；线圈绕组各相间及对地交流耐压试验；耐压试验后线圈绕组相间及对地绝缘检查；耐压试验后温度、气隙等传感器检查。

3 定子线圈交、直流耐压试验电源准备

定子线圈交、直流耐压试验电源采用380 V 供电，电源容量120 kV·A，试验电源供电稳定可靠，保护灵敏，选用380 V、200 A 主控断路器并设定好保护值；根据接线图将试验操作台、升压设备、高压测量保护装置连接好，检查接线无误和高低压电缆线绝缘合格；由试验工程师对试验装置通电操作并检查，增加或减小电压、调整气隙大小、调整过流、过压保护装置并动作可靠，对试验主回路试通电操作检验。

4 定子线圈交、直流耐压试验步骤及方法

4.1 测量线圈绕组三相及分支回路电阻

该发电机定子线圈共有三相绕组，每相绕组由二分支路组成；回路检查完成后，用直流电阻测试仪分别测量定子线圈绕组每相及每一支路的直流电阻值，检查相与相之间、支路与支路之间直流电阻值之间差值≤最小值的2%；有异常或超过要求数值的需对相应绕组查明原因并处理达标。

4.2 线圈绕组耐压试验前检查温度、气隙传感器

线圈绕组交直流耐压前：用9 V 低电压欧姆表检查温度、气隙传感器的电阻附合要求；用100 V 兆欧表检查传感器的对地绝缘电阻；线圈绕组交直流耐压后：再次用9 V 低电压欧姆表检查温度、气隙传感器的电阻附合要求；用100 V 兆欧表检查传感器的对地绝缘电阻。

4.3 线圈绕组三相间及地的绝缘电阻值、吸收比（或极化指数）测量

（1）用电动兆欧表2500 V 档自动测量各相间及对地的绝缘电阻应附合下述结果。

式（1）中，R 为绝缘电阻（MΩ），Ue为额定工作电压（V），Se为机组额定容量（kV·A）。

10.5+1=22 MΩ，（线圈绕组温度40 ℃时≥22 MΩ）；

Re（100）=Ue/（1000+Se/100）=10 500/（1000+58 000/100）=6.65 MΩ（线圈绕组温度100 ℃时≥6.65 MΩ）。

（2）测量计算各相线圈绕组的吸收比或极化系数。

用电动兆欧表分别测量并记录各相线圈绕组在15 s、60 s、600 s 的绝缘电阻值，计算在40 ℃以下时Re60 s/Re15 s 的比值（吸收比）≥1.6，或Re10 min/Re1 min 的比值（极化指数）≥2.0。如吸收比（或极化指数）≤1.6，判断绝缘不合格，需对线圈绕组进行干燥。

干燥方法有：对定子线圈绕组通直流电流进行干燥；在定子线圈周围适当部位布置加热器和通风机进行干燥；线圈绕组进行干燥时随时监测各项数据。

4.4 线圈绕组各相间及对地直流泄漏及耐压试验

（1）用直流高压发生器对线圈绕组各相间及对地直流泄漏及耐压试验，直流试验电压按每阶段0.5 倍额定电压分级上升，在每一级电压保持1 min，并读取直流泄漏电流数值，最后直流试验电压升到3Ue即31.5 kV；直流泄漏及耐压试验接线（图1）。

图1 直流泄漏及耐压试验接线

（2）试验过程中注意观察及分析，每级直流电压达到并保持时，直流泄漏电流应不随时间增加而增大，在要求的试验电压值下各相泄漏电流的差值不大于最小值的50%。

（3）有异常或超过要求数值的需对相应绕组查明原因并处理。

4.5 线圈绕组各相间及对地交流耐压试验

4.5.1 交流耐压试验仪器及设备

因机组容量大，对该机组定子线圈绕组进行交流耐压的试验设备采用工频串联谐振试验仪，主要有可调电抗器1 套、激励变压器1 套、分压器1 台、调压控制台1 套（表1）。

表1 交流耐压实验设备规格参数

需调整的交流耐压试验设备，主要是对恒定电感器和可调节电感器的计算和选配。根据定子绕组整体分相耐压试验（串联谐振）接线原理计算电感量（图2）。

图2 定子绕组整体分相耐压试验接线

式（2）中L0为可调电抗器电感量，R 为可调节电抗器的有功损耗与被试品介质损耗等回路综合损耗的串联等效电阻，Cx为定子线圈绕组电容量。

根据串联谐振原理，在感抗XL等于负载电容的容抗Xcx时，实现完全谐振。该机组定子线圈绕组整体对地电容为3.96 μF，定子分相电容为1.32 μF，计算得每相耐压时L0=7.68 H，选用可调节电抗器的电感调节量为（7.7～21）H，能满足谐振调节要求。

电容电流计算：I=ωCU，计算可得I=9.948 A。

4.5.2 定子线圈绕组分相交流耐压

直流耐压及泄漏试验合格后，发电机定子绕组进行分相整体耐压试验。复查试验接线无误，检查低压电缆的绝缘电阻值＞0.5 MΩ 并对加压高压电缆架空处理；对定子温度传感器和气隙传感器引线进行短接接地；定子铁芯和机座用120 mm2铜缆接地。试验时非耐压相的线圈绕组均接地。

该发电机额定电压为10.5 kV，根据要求，试验电压为（2Ue+3.0）kV，即24 kV。试验操作是升压平稳，升压过程中观察线圈绕组的电晕和放电情况，如有异常，停止试验并检查处理。

4.6 检查线圈绕组相间及对地绝缘、温度、气隙传感器

试验完成后，用2.5 kV 兆欧表检查定子线圈绕组的绝缘电阻无突变；用低电阻表检查温度、气隙传感器阻值和绝缘电阻正常。

5 发电机定子试验结果（表2～表4）

表2 绝缘电阻试验和吸收比

表3 定子绕组直流耐压试验和泄漏电流测量 μA

表4 定子整体耐压试验

6 结束语

按照试验标准，发电机定子线圈绕组整体试验前后绝缘稳定；交、直流耐压试验结果平衡且无突变；试验结果附合要求，定子线圈交直流整体试验通过。目前，机组均已顺利投入运行。该水电站是“一带一路”建设的重点项目、中柬能源合作的典范，建成投产后，将对柬及东南亚地区加快经济发展、改善民生具有重大意义。