一种大型汽轮发电机交流耐压试验方法

侯中峰 刘 瞻 任 民 吕尚霖 王家驹

（西安热工研究院有限责任公司，西安 710054）

0 引言

大型汽轮发电机作为火力发电厂高压电气主设备之一，在电力生产中扮演了非常重要的角色，汽轮发电机的正常工作是火力发电厂安全稳定运行的必要条件。为保证汽轮发电机正常工作，需要在制造、安装、交接、检修及运行等各个阶段严格把关。交流耐压试验作为发电机绝缘监测技术，是大型汽轮发电机在制造、安装、交接、检修及预防性试验中必做的试验项目。

交流耐压试验的优点是试验电压和工作电压的波形、频率一致，作用于绝缘内部的电压分布及击穿性能比较等同于发电机的工作状态。无论从劣化 角度来看还是从热击穿的角度来看，交流耐压试验是比较可靠的检验发电机主绝缘的方法[1]。

随着发电机容量越来越大，试验设备体积迅速变大，交流耐压试验的实施受到一定程度的影响。为解决试验设备体积迅速变大、质量迅速增加的问题，行业内引入变频耐压试验以减小设备体积，虽符合标准规范，但并不是严格意义上的工频波形，对试验准确性有一定影响。本文从减小试验设备体积及质量、同时严格遵循工频波形角度出发，提出一种大型汽轮发电机工频交流耐压试验方法，以提高发电机现场交流耐压工作效率，为其他类型发电机试验提供参考[2-11]。

1 传统交流耐压试验方法

1.1 调感法串联谐振交流耐压试验

工频交流耐压试验中，被试发电机表现为容性阻抗，且电容量比较大，如果直接加压，需要试验变压器、调压器和电源的容量非常大，现场实施有一定难度，又因为体积庞大，受场地及运输所限，导致试验受阻，一般会通过调感法或者调频法来获得试验所需的耐压值。

传统方法一般会采用调感法进行串联谐振耐压试验，调节可调电抗器L，使之与试品电容量CX形成谐振，调感法发电机串联谐振耐压试验电路如图1所示。

图1 调感法发电机串联谐振耐压试验电路

发生谐振时，有

式中：R、XL、XC、U、UL、UC、I、IL、IC、Q分别为试验回路中等效电阻、可调电抗器感抗、试品容抗、试验变压器提供电压、可调电抗器感抗电压、试品电压、试验回路电流、可调电抗器电流、试品电流和品质因数。

串联谐振使试验变压器电压降低了Q倍，电流表现为阻性电流，所以电源容量大大降低。串联谐振优点：若被试品击穿，则谐振终止，高压消失；击穿后电流下降，不致造成被试品击穿点扩大[1]。

1.2 调频法串联谐振交流耐压试验

随着变频电源的逐渐推广，调频法串联谐振耐压试验方法产生，调频法发电机串联谐振耐压试验电路如图2所示，与调感法不同的是，工频电源变成了变频电源。试验电路谐振时计算方法与调感法串联谐振类似。

图2 调频法发电机串联谐振耐压试验电路

DL/T 1768—2017《旋转电机预防性试验规程》要求：在采用变频谐振进行耐压试验时，试验频率应在45～55Hz范围内。所以对于某一型号发电机，需要在配置时考虑频率适用范围，即

调频法试验装置一般采用扫频法寻找最优谐振频率点，此方法优缺点与调感法中选用定值电抗器时类似，电抗器选择方法也与之类似；另外，调频法试验波形中谐波对试品可能会有伤害，且频率存在差异时，对发电机绝缘考核效果是否合适尚需在现场实践中验证。当只有一种类型发电机时，个别火力发电厂现场预防性试验采用此方法。由于体积小，易搬运，现场工作人员更接受此种试验方法。

根据GB/T 755—2019《旋转电机 定额和性能》第9.2条耐压试验要求“在工厂试验的试验电压应为工频电压，电压波形应尽可能具有正弦波形”及GB/T 1029—2005《三相同步电机试验方法》第4.13条工频耐压试验要求“试验电压的频率为工频，电压波形应尽可能接近正弦波形”。而DL/T 1768—2017仅适用于预防性试验，所以从制造、安装、交接、检修及预防性试验全过程通用性出发，配置试验仪器应以工频交流耐压试验方式为主。

2 混联式交流耐压试验方法

一般情况下，300MW汽轮发电机单相电容量约为0.15～0.25μF，600MW汽轮发电机单相电容量约为0.2～0.3μF，1 000MW汽轮发电机单相电容量约为0.25～0.4μF。当要使用同一套工频耐压设备做多个机型试验时，调感法串联谐振可能存在电抗器可调量不够，或者可调电抗器及试验变压器过载问题。比如某些特殊情况下，需要对发电机整体绕组进行工频交流耐压试验时，某1 000MW发电机电容量最大为1.2μF，如果使用图1中调感法，则试品谐振电流过大，为进行试验，需要重新订做新的电抗器和试验变压器。此方法的缺点：①可调电抗器一般体积较大，电抗器体积随容量增大迅速变大，对试验空间有一定要求，搬运变得很困难，运输费用成倍增长；②试验变压器要考虑增加容量，多个试验变压器造成资源浪费。

当进行多个机型耐压试验，电容量波动范围较大（0.15～1.2μF）时，本文设计一种混联法谐振耐压试验方法，该方法谐振耐压试验如图3所示，与图1中调感法相比，增加一个与试品并联的可调电抗器L1，与可调电抗器L（变压器阻抗LT1也为感性，下面为计算简便，假设该支路电感均集中在L，电阻R均集中在试验变压器）同时为试品提供电流。当电路发生谐振时，简要计算如下。

图3 发电机混联法谐振耐压试验电路

式中：Lo、IL1、IC、Q分别为与试品发生谐振的电感值、L1电流、试品电流和品质因数。

可以看出品质因数增大，同时试验变压器及电抗器L所需要的电流减小，额外电流由可调电抗器L1承担。上述计算均是假设试品电容量已知、电抗器为理想元件情况下所得，虽与实际工程应用有差别，但不影响耐压试验结果。一般情况下，现场试验时为配置方便，会优先选择两个电抗器数值相等或者相近，当情况不满足时，再根据需求使用数值不等的情况，但要注意电流差别不能太大。

图3中混联法若不能满足试验中要求，可以再与试品并联一个电抗器进行分流，数值大小一般与L、L1相同，在试验变压器容量和电流允许情况下，可以再并联新的电抗器。

另外一种混联法的形式是，如果恰好有两套小容量试验变压器和电抗器，可以将其并联为试品提供谐振能量，即把L1支路更换为试验变压器加电抗器支路，同时给试品提供能量，此方法在发电机耐压试验中用得相对较少，一般在电容量非常大的现场试验中使用。

3 混联式交流耐压试验方法应用及比较

某1 000MW汽轮发电机，额定电压为27kV，因故障定子线棒损坏，需要对所有定子线棒重新布线，从线棒到现场到发电机整体交接试验，需要进行线圈下线前、下层线圈整体、上下层线圈同试、定子完成后和发电机装配后等五个阶段耐压试验。线圈下线前是对定子线棒试验，定子线棒电容量为pF级，直接使用高电压等级试验变压器即可，不需要使用串联谐振。经与发电机厂家协商决定，下层线圈整体、上下层线圈整体、定子完成后（分相）、发电机装配后（分相）工频耐压值分别为55kV、55kV、40.5kV和40.5kV，由于定子完成后与发电机装配后耐压值相同，合并为同一列计算。假设试验回路等效电阻为R=150Ω 时，试算结果见表1。

表1 混联法谐振耐压试验试算结果

现有一套试验设备参数如下：试验变压器额定容量为100kV·A，额定电压为6.66kV，额定电流为15.2A，短路阻抗为7.86%，负载损耗为5kW，计算试验变压器Γ形等效电路电阻为22.2Ω，电感为0.11H；可调电抗器额定容量为300kV·A，额定电压为50kV（可短时过载到55kV），额定电流为6A，电阻为57.4Ω，电抗器电感量可调区间为16～100H。若计入试验变压器和电抗器的电阻，假设试品等效电阻为100Ω，复核结果见表2。

表2 试验设备参数复核结果

由表2可以看出，下层线圈整体、定子完成后（分相）阶段均可以使用此法进行试验。另外，定子完成后（分相）阶段，也可使用传统串联谐振法，此时可调电抗器L电流为3.8A，容量约为154.6kV·A即可。受电抗器电流及容量所限，上下层整体试验无法使用图3方法进行，将图3扩展，即在试品端再并入一个电抗器分流，使三个电抗器数值均为33.8H，计算得到谐振电流为5.2A，容量为287.5kV·A，试验变压器电压为5.56kV，容量为28.9kV·A，满足试验要求。图4为下层线圈整体混联法谐振耐压试验现场。

图4 下层线圈整体进行混联法谐振耐压试验现场

耐压值为55kV时，在混联式交流耐压试验方法的基础上增加并联支路，不计试验回路中有功功率损耗，可进行试验的试品最大电容量见表3，电抗器容量为本试验装置的限制条件。可以看出，当试品容量变化范围较大时，混联式交流耐压试验方法仅增减并联电抗器支路即可，不用额外配置试验变压器，在现场应用中的灵活性较好。

表3 可进行试验的试品最大电容量

4 结论

综上所述，可得出以下结论：

1）调感法串联谐振试验适合机型单一，电容量变化不大的场合。如果仅针对某一机型，且只有一种电容量，可以把可调电抗器更换为固定电抗器以减小体积和质量。

2）调频法串联谐振试验也适合电容量变化不大的场合。仅针对某一机型，且只有一种电容量时试验设备体积比较小。调频法试验时谐波对试品可能会有伤害，且频率差异时，仅适用于预防性试验，制造、安装、交接时并不适合。

3）混联式谐振耐压试验适合机型多、电容量变化大的场合。相比调频法试验，混联式试验工频工作，没有谐波危害；相比调感法，混联式试验用较少设备实现更大试品电容量范围试验，装置通用性较强。

随着大型汽轮发电机容量越来越大，传统的试验方法要求不断增大试验变压器和电抗器的容量，试验设备体积和质量迅速变大，造成现场试验困难，运输成本迅速增大。混联式交流耐压试验以较小的体积和质量实现耐压试验，经济性更好，通用性更强。火力和水力发电厂相关从业人员可作为参考。