大型水轮发电机部分技术合同中关于定子线棒瞬时击穿电压试验要求的意见

大型水轮发电机部分技术合同中关于定子线棒瞬时击穿电压试
验要求的意见
满宇光
【摘要】本文作者对大型水轮发电机部分技术合同中关于定子线棒工频击穿电压的要求提出了自己的观点和看法,认为某些技术合同存在与通用标准规定不一致的现象.为保证产品质量,统一正确的产品质量辨别标准和方法,寻找到了部分佐证与读者共享.
【期刊名称】《大电机技术》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】5页(P16-20)
【关键词】大型水轮发电机;定子线棒;耐电压试验;瞬时击穿电压试验;持续时间【作者】满宇光
【作者单位】水力发电设备国家重点实验室,哈尔滨150040
【正文语种】中文
【中图分类】TM312
[关键字] 大型水轮发电机；定子线棒；耐电压试验；瞬时击穿电压试验；持续时间
定子线棒的电气绝缘性能是关系到发电机绕组安全可靠性的关键指标，在产品出厂时必须进行相关性能试验验证，包括：工频耐电压试验和瞬时工频击穿电压试验。

一般的技术合同中对定子线棒的耐电压试验要求这样规定：定子线棒出厂前能安全承受不低于2.75Un+6.5kV的工频电压，历时1min；同时抽取的定子线棒工频瞬时击穿电压不低于额定电压的5.5～6.0倍。

笔者认为：这样规定是十分恰当的，
是符合多数标准的规定和电机制造厂惯例的。

但某些合同中这样规定：定子线棒应能承受的工频击穿电压为5.5～6.0Un，持续
1min。

笔者认为该要求过于严格苛刻，值得进一步探讨。

1.1 耐电压试验
耐电压试验是一种非破坏性试验，针对定子线棒出厂而言，需要逐根进行，即100%数量检测。

其出厂检验耐电压值一般为2.75Un+6.5kV，试验时升压到指定限值后持续时间为1min。

试验电源一般为50Hz交流电源。

通过试验的线棒产品被认为合格，可以出厂；没有通过试验或者出现一些异常现象的线棒产品不能被认为合格，需做报废或者重新包绕绝缘等处理。

耐电压试验是一种线棒绝缘性能的检测手段，目的是对线棒设计、材料选择和制造工艺进行综合评价。

1.2 瞬时击穿电压试验
瞬时击穿电压试验是一种破坏性试验，也在50Hz交流电压下进行，一般每台份机组仅抽取1～2根进行，视合同约定。

试验时要求持续升压直至击穿，击穿时要求试验电压不低于发电机额定电压的5.5～6.0倍，由于常在升压过程中定子线棒发
生瞬时击穿现象，故称为工频瞬时击穿电压试验。

进行瞬时击穿试验的线棒产品仅能报废，故在可以预知整体击穿水平的前提下试验数量越少越显经济。

应该说，耐电压试验和瞬时击穿试验是两项性质和目的不同的试验。

但某些合同中的规定：定子线棒应能承受的工频击穿电压为5.5～6.0Un，持续1min。

很显然，是将两项试验合并成了一项试验。

但这看似简单的合并，造成的后果却极不简单：首先，在概念上与传统认识有出入，容易造成制造厂与监造人员之间的误解，难以归结是耐电压试验还是击穿电压试验。

其次，若硬性合并，不管是耐电压试验还是击穿电压试验，都大大提高了验收标准，增加了制造方的难度。

要知道，产品技术性能参数的提高取决于结构设计、材料的更新换代和工艺流程的完善等方面，都需要日积月累一点一滴地推进，不是简单的事。

试验电压从2.75Un+6.5kV持续1min提高到5.5～6.0Un持续1min，验收
标准表面上提升了160～200%，实际上提高的幅度更高，可以达到百倍以上，数值为：
其中，E为电场强度、n为幂率指数。

可见提升的幅度是相当巨大的。

规定了定子线棒耐电压试验和击穿电压试验的相关标准和文件较多，针对这些标准，笔者认为总体方向无误，但部分标准引用细节描述不清晰或者有待商榷。

详见下列与水轮发电机密切相关的标准和文件：
2.1 国标GB/T7894-2009《水轮发电机基本技术条件》
2.1.1 标准规定
该标准第8.2.4条表8序号1中对成品线圈的耐电压试验进行了规定，试验电压值为2.75Un+6.5kV，持续1min。

该标准第8.2.3条对定子线棒（线圈）的工频击穿电压值进行了规定：一般不低于5.5～6.0Un，抽样进行，试验方法参见IEC60243-1:1998。

2.1.2 笔者意见
该标准总体比较客观正确，对耐电压试验和工频击穿试验分别进行了规定。

但细节不明晰，因为IEC60243-1标准中包括了两种试验方法：瞬时升压击穿法和阶梯耐压击穿法，针对线棒击穿具体采用哪一种方法并没有做出规定。

这里说明一下：瞬时升压击穿法即指施加于线棒上的电压以一定速率（如1kV/s）持续升高，直至击穿。

阶梯耐压击穿法指施加于线棒上的电压在持续升压（一般升压速率为1kV/s）过程中，在某几个电压值点持续停留，停留初始电压点一般为预期瞬时击穿值的一半左右，停留电压间隔一般选取5kV，各点停留时间均为1min，
也有间隔电压点和持续时间为其他规定值的情况。

这两种方法得到的数据结果是不一样的。

2.2 行标SL321-2005《大中型水轮发电机基本技术条件》
2.2.1 标准规定
该标准第8.2.4条表5中对成品线圈的耐电压试验进行了规定，试验电压值为
2.75Un+6.5kV，持续1min。

该标准第8.2.3条对定子线棒（线圈）的工频击穿电压值进行了规定：不低于
5.5Un，抽样进行。

2.2.2 笔者意见
该标准总体比较客观正确，与国标GB/T7894-2009《水轮发电机基本技术条件》类似。

2.3 行标DL/T730-2000《进口水轮发电机设备技术规范》
2.3.1 标准规定
该标准第4.34条规定成品线圈的耐电压试验值为2.75Un+6.5kV，持续1min。

该标准第4.35条规定，定子线棒的工频击穿电压为5.5～6.0Un，持续1min，抽样进行。

2.3.2 笔者意见
该标准是容易引起异议的根源。

部分发电机技术合同的描述与此存在雷同之处。

2.4 国标GB755-2008《旋转电机定额和性能》
2.4.1 标准规定
该标准第9.2条仅规定了电机绕组完成后最后一级耐电压试验标准，对成品线圈的出厂验收的耐电压试验值没有规定。

对定子线棒的工频击穿电压值也没有进行规定。

2.4.2 笔者意见
该标准依据IEC60034-1:2004而来，对线棒出厂前的耐电压试验和工频击穿试验
没有详细规定。

2.5 国标GB/T8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》
该标准第14项仅规定了发电机在安装过程中的试验标准，对定子线棒的出厂验收的耐电压试验和工频击穿电压试验没有进行规定。

2.6 行标JB/T6204-2002《高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐电压试验规范》2.6.1 标准规定
该标准第4.6条仅规定了整台条式线棒在成品出厂验收的耐电压试验值为
2.75Un+6.5kV，持续1min，而没有规定线棒的工频击穿电压试验方法和限值。

2.6.2 笔者意见
该标准对线棒工频击穿试验没有详细规定。

2.7 行标DS/ZJ011-2002《大型水轮发电机产品质量分等》（该标准编号现已经变更为 CEEIA 154-2003）
2.7.1 标准规定
该标准[1]第4.1.8条附录A序号10规定了条式线棒在出厂前的耐电压试验：试验方法按照标准JB/T6204（即2.75Un+6.5kV，持续1min），检验标准为：不击穿、不闪络、不冒烟。

该标准第4.1.8条附录A序号11规定了条式线棒在出厂前的瞬时工频击穿电压试验：室温、在变压器油中进行，平均升压速度为1000V/s，检验标准见表2。

2.7.2 笔者意见
该标准对线棒的耐电压试验和瞬时工频击穿电压试验方法和限值分别作了详细的、具体的、可操作的规定，是迄今为止国内最具信服力的标准，目前国内各大电机制造公司均是依据此方法进行的，并已经形成了数十年的传统做法。

2.8 汇编《电气工程大典》（2008版）
2.8.1 汇编规定
《中国电气工程大典》（2008版）[2]第9卷电机工程291页，即第2篇第4章11.2.1项“厂内试验项目”中第6条对“定子线棒绝缘的工频击穿电压试验”明
确描述：按随机抽样做试验，试验电压以1kV/s的速度逐步升高，直至定子线棒
绝缘击穿为止。

如果通过则认为全部合格，如果有击穿再随机加倍抽样做试验。

2.8.2 笔者意见
该汇编虽然不是标准，但对线棒工频击穿电压进行了明确的描述，采用连续升压法，而不是阶梯耐电压法。

与国内外电机制造行业的实际做法是相符的。

总之，根据目前大多数标准，可以确定：（1）线棒的耐电压试验和瞬时工频击穿电压试验是两项试验，耐电压限值和电压施加的持续时间要求不同。

（2）行业标准DS/ZJ011-2002《大型水轮发电机产品质量分等》和《中国电气工程大典》（2008版）对线棒的瞬时工频击穿电压试验作了详细的描述：即采用连续升压法，而非阶梯耐电压法。

（3）多数标准对线棒出厂前的耐电压试验的规定是：
2.75Un+6.5kV，持续1min。

但个别标准和部分技术合同对线棒的瞬时工频击穿
电压试验规定的不清晰或者说不恰当，即：定子线棒的瞬时工频击穿电压为5.5～6.0Un，持续1min。

恰当的说法是：定子线棒的瞬时工频击穿电压不低于5.5～6.0Un，而没有“持续1min”的字样。

线棒的耐电压试验出厂验收标准为：试验电压2.75Un+6.5kV，持续1min。

针对线棒产品出厂的耐电压检验试验，基本没有异议，在此不展开论述。

国内某企业针对部分特殊项目曾经制订了内部标准[3]：4Un，持续1min，这已经是极高的检验水平了，当然这需要特殊的制造工艺、材料和绝缘设计结构，制造成本也大大增加，并不一定适合所有的产品。

对于线棒的瞬时工频击穿电压试验，其绝缘破坏时的电压值请参考下面国内某知名电机制造厂的经验数据。

线棒的瞬时工频击穿电压值取决于线棒的绝缘结构、主绝缘材料性能、绝缘厚度、
线棒截面尺寸、导体R角半径、制造工艺等。

即使同一电压等级和绝缘厚度条件下，也可能存在差异和变化，比如：增加线棒导体的圆角半径时瞬时击穿电压值会升高，见表4。

但是，这些因素并不是可以随意改变的，线棒的几何尺寸、电磁计算、温升效率等参数的选择是相互关联的，某些技术参数的提高可能意味着要降低其他性能参数，某些项目并不能通过改变上述影响因素实现。

电机定子线棒的瞬时击穿电压水平是根据自身的设计和制造能力在设计初始就应该预料到的，对于特定的材料来说，也是绝缘厚度选择的重要依据[4]。

根据经验，对于中小型发电机或者异步电动机而言，当额定电压在10.5kV及以下时，一般绝缘瞬时击穿水平裕度选取在8～10左右。

随着电压等级的升高和绝缘
厚度的增加，绝缘裕度提升难度越来越大，至目前20kV等级及以下的大型同步水轮发电机，线棒的瞬时击穿水平裕度选取在5.5～6.0左右。

而当额定电压达到
20kV等级以上时，难度会继续增加，标准一般对此规定：技术协议单独协商制定。

换言之，对于较低电压等级的发电机定子线棒而言，若实现6Un持续1min耐电
压后的击穿试验是有可能的，而对于20kV及以上等级发电机线棒，实现6Un持
续1min耐电压后的击穿试验几乎是不可能的，见表5，现尚缺少大量的实际产品数据，理论上连续升压法的瞬时击穿电压值低于5.5Un是正常的。

可见，瞬时击穿电压和阶梯耐电压值的试验结果是不同的，这两种试验结果之间的模拟换算关系暂时停留在研究阶段，未见明确的标准对其进行定义，理论估算方法如下：
通常电场强度E和绝缘寿命L的关系用负幂指数模型表示：
式中，c为常数，n为幂率指数。

根据线棒的电老化试验结果（比如1.6Un和
2.0Un电压下的寿命Ln），推算出线棒的参数c和n。

公式（1）中的E为常数，可对固定场强下的寿命进行推算，不适用于击穿（场强
随时间变化）下的寿命推算。

该公式可拓展为积分形式：
式中，K为损失寿命率，E(t)为场强随时间的变化函数，t1、t2为加压初始和结束时间。

瞬时击穿情况下，E(t)=At/d（A为升压速度，d为绝缘厚度），K=1，t1=0，带入公式（2）可以求得t2和瞬时击穿电压。

阶梯耐压情况下，输入起始耐压Uo，耐压时间60s，升压5kV，进行分段累计积分，由于计算过程较为复杂，在此忽略。

最后可以得到理论上的击穿电压值和持续的时间。

某电机制造公司曾经制造了一批试验线棒（d=3.5mm，Un=15.75kV），通过模拟计算后得到瞬时击穿电压和阶梯耐电压试验值之间的比值系数ξ如图1所示，约为1.20～1.25。

目前持续升压法条件下线棒的瞬时击穿电压标准规定为不低于5.5～6Un，并不恰当。

若采用阶梯耐电压法，则初始耐电压选取值不应为5.5～6Un，而应为2.75～3.0Un左右；且最终击穿值的考核标准也应该更改，应接近5.5～6Un/ξ。

系数ξ绝对有待进一步探讨[5]，ξ约为1.20～1.25是仅考虑电应力的理想状态，实际阶梯耐电压过程中由于试样局部热效应更加强烈，可能会导致阶梯升压法击穿值偏低或ξ偏大。

部分电机制造公司根据技术的规定（或者在业主的强烈要求下）对线棒尝试过
6Un持续1min的试验，如哈电、浙富、福伊特等，但都是额定电压不是很高的机组，如：10.5kV等级或者13.8kV等级。

但应该说明，这绝对是比较严格苛刻的要求；而且这是单点（6Un）电压值的阶梯耐压试验，不是真正的按照标准的阶梯耐电压试验；真正的阶梯耐电压试验是选择好初始耐电压值后连续升压并每隔一定电压值（比如5kV）持续固定时间（比如1min）。

部分项目的技术合同（如三峡左岸，拉西瓦、龙滩、小湾等）也进行了类似5.5～
6Un持续1min的耐电压规定，但经过制造方和业主的说明和解释，业主均同意
按照传统的连续升压法进行瞬时击穿试验方法，而没有在5.5～6Un电压值下持续1min。

（1）大型发电机定子线棒的耐电压试验和瞬时工频击穿电压试验是两项不同的试验。

定子线棒出厂前的耐电压试验规定正确描述应为：试验电压2.75Un+6.5kV，持续1min。

定子线棒出厂前的瞬时工频击穿电压试验规定正确描述应为：瞬时击穿电压不低于额定电压的5.5Un（或者6.0Un）。

两者不能混淆。

（2）线棒的瞬时工频击穿电压试验一般采用连续升压法，参考升压速率为1kV/s。

（3）部分技术合同中关于“定子线棒的瞬时工频击穿电压为5.5～6.0Un，持续
1min”的规定，容易产生误解，是有待商榷的表述；该表述极大提高了验收条件，在高电压等级条件下难以实现。

（4）大型水轮发电机定子线棒的性能均一性和质量稳定性是第一位的，过高的追求击穿电压性能指标的做法给生产制造带来了不小的难度，尤其在高电压等级机组上值得慎重考虑。

满宇光（1976-），1999年毕业于西安交通大学高电压技术及设备专业，现工作
于哈尔滨大电机研究所，长期从事大型发电机绝缘技术研究，高级工程师。

【相关文献】
[1] DS/ZJ011-2002, 大型水轮发电机, 产品质量分等[S].
[2] 唐任远, 顾国彪, 等. 中国电气工程大典第9卷电机工程[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008,
291-292.
[3] 何智江. 三峡左岸电站发电机线棒主绝缘技术特点[J]. 大电机技术, 2003(6): 1-4.
[4] 邹祖冰, 杜建国. 大型水轮发电机定子线棒工频击穿试验方法及标准的探讨[J]. 大电机技术, 2011(6): 33-35.
[5] 毛继业. 发电机定子线棒击穿试验数据分析[J].绝缘材料, 2007(4): 18-21.。