水轮发电机定子线圈绝缘试验项目及标准探讨

水轮发电机定子线圈绝缘试验项目及标准探讨

水轮发电机定子线圈绝缘试验项目及标准探讨邹祖

冰1 ，陈铁2 (1.中国长江三峡集团公司,四川成都610041；

2.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北宜昌443002 ) 摘要：目前，水轮发电机定子线圈的额定电压和单机容量已分别达到了26 kV和1 000 MW，但是缺乏相应等级下进行定子线圈绝缘性能测试的国家标准和国际

标准。对26 kV以下电压等级的水轮发电机定子线圈绝缘性能实验的标准及规范进行了总结和分析，在此基础上，结合国内外高电压等级线圈的生产制造经验及其运行实践，探索性地提出了26 kV巨型水轮发电机定子线圈的常规试验项目和型式试验项目的标准建议。成果可以为巨型水轮发电机定子线圈绝缘性能实验标准的出台提供参考。关键词：试

验标准；定子线圈；绝缘性能；绝缘试验；大型水轮发电机1 研究背景一般而言，都需要对水轮发电机组的定子线圈绝缘及其耐受电压进行试验。目前，水轮发电机组的容量已经达到了1 000 MW，定子线圈的额定电压已达到了26 kV[1-2]，然而，针对这类电压等级的发电机组定子线圈的绝缘性能试验，目前还缺乏相应的国家标准。本文总结了现有的国家标准和国际标准，并结合国内外对高电压等级水轮发电机组线圈的研制及其积累的试验经验，探索了大型水轮发

电机组定子线圈常规试验和型式试验的一些试验项目及试

验标准，以适应巨型水轮发电机的发展。2 绝缘性能常规试验绝缘性能的常规试验项目包括表面电阻、电晕、工频耐压和介质损耗等[3-4]。针对高电压等级的水轮发电机组，主要讨论电晕试验、工频耐压试验和介质损耗试验。2.1 电晕试验现行国家标准规定[5-6]：① 定子单根线圈在1.5倍额定电压下，不应起晕;② 整机在1.05倍额定电压下，端部应无明显的晕带和连续的金黄色亮点。针对第一种情况，目前国内装机700 MW，额定电压为20 kV和23 kV水轮发电机的运行实践表明：定子线圈上存在已经发生电晕现象的情况。对该水轮发电机组重新进行电晕试验时发现，当电压升高到1.5倍额定电压时，并没有观察到定子线圈的电晕现象；当电压升高到2倍额定电压时，才发现有微弱的电晕现象。显然，针对目前的设计和制造工艺，采用1.5倍的额定电压考核单根线圈的电晕，明显偏低。针对第二种情况，电网要求水轮发电机组在1.1倍的额定电压条件下能够长期运行，而且目前巨型水轮发电机组的定子线圈都是在工地下线安装，工地的工作环境无法与工厂的试验室相比，因此应当将整机耐压的电压水平适当提高。综合上述因素，结合国内外的工程实践，针对大型水轮发电机组定子线圈的电晕试验标准，提出如下建议：在1.5倍的额定电压下，单根定子线圈不应起晕；进行整机耐电压试验时，在1.1倍的额定

电压下，端部应无明显的晕带和连续的金黄色亮点。2.2 工频耐压试验工频耐压试验是在一定的电压条件下定子线圈耐过1 min的时间，旨在考验定子线圈的整体绝缘性能。根据现行标准，对于成品单根线圈，工厂1 min的工频耐压为≥2.7倍的额定电压+6.5 kV；单根定子线圈在下线之前，按每台机组线圈总数的5%进行抽样试验，线圈能安全承受不低于2.75倍的额定电压+2.5 kV的工频试验电压1 min。单根定子线圈在嵌入槽下层后的联接之前，应对其进行试验，能安全耐受不低于2.5倍的额定电压+2.0 kV的工频试验电压1 min。上层线圈下线后，打完槽楔与下层线圈一起试验，应能安全耐受不低于2.5倍的额定电压+1.0 kV的工频试验电压1 min。当全部绝缘处理工作结束以后，完整的定子绕组应能安全地耐受不低于2倍的额定电压+3 kV的工频试验电压，试验时间为1 min。根据国内容量为700 MW级、额定电压为20 kV和23 kV的水轮发电机组定子线圈的工程实践，建议定子线圈的工频耐压在表1中所列出的数据下能够持续1 min。表1 定子线圈工频耐压kV项目成品线圈嵌装前下层线圈嵌装后定子安装完成整机完成条式线圈

2.75UN+6.52.75UN+2.52.5UN+2.02.0UN+1.00.8×(2.0UN +1.0)圈式线圈2.75UN+6.52.75UN+2.52.0UN+1.0水直接冷却条式线圈

2.75UN+6.52.75UN+2.52.5UN+2.02.0UN+6.0(无

水)2.0UN+1.0(有水) 注：UN为额定电压。2.3 介质损耗测量一般情况下，用介质损耗角的正切值来评定绝缘介质在某一电压范围内的老化状况[2]。通常，tanδ和Δtanδ代表绝缘的平均老化水平。在设备出厂的检查和运行中，介质损耗测量是必做的试验项目。线圈直线段绝缘良好、无缺陷时，tanδ在一定的电压范围内基本上不会随着电压的增加而出

现明显的变化，增加量一般很小。防晕保护层部分随着电压的变化等，其容性电流变化会比较明显，因此，tanδ随着容性电流的变化而变化，从而使得测试结果不准确。目前有两种测量方式，一种是采用完全屏蔽法，具体参数列于表2；第二种是采用包括防晕层的非完全屏蔽法，具体参数列于表3。表2 完全屏蔽法常态介质损失角正切值及其增量要求试验电压/kV介质损失角正切值及其增量指标

/%0.2×UNtanδ≤1.00.2～

0.6UNΔtanδ=tanδ0.6UN-tanδ0.2UN≤0.5 注：UN为额定电压。3 绝缘性能型式试验3.1 工频击穿试验工频击穿试验是大型水轮发电机组定子线圈绝缘性能考核的重要试验项目，对于高电压等级的水轮发电机组而言尤为重要[3]。在IEC 标准和国家标准中，工频击穿试验是新设计的定子线圈必须进行的试验项目[7]。表3 非完全屏蔽法常态介质损失角正切值及其增量要求试验电压/kV介质损失角正切值及其增量指标/%0.2UNtanδ≤1.50.2UN～

0.6UNΔtanδ=tanδ0.6UN-tanδ0.2UN≤0.5 注：UN为额定电压。在国家标准中，对定子线圈绝缘的工频击穿电压试验方面的要求是：定子线圈绝缘的工频击穿电压不应小于5.5倍的额定电压，一般为5.5～6.0倍的额定电压。在试验过程中，可以采用快速升压和慢速升压两种方法进行试验。在快速升压的试验方法中，从加压开始计时，发生击穿的时间最好在10～20 s以内。升压速度可以在100，200，500，1000，2000 V/s和5000 V/s等，IEC60296标准中推荐选择2000 V/s。根据理论分析结果以及试验情况，针对电压等级为18～26 kV的大型水轮发电机组来说，如果选择低升压速率，建议不要超过3 kV/s，则击穿电压值选择5.5～6.0倍的额定电压；如果选择高升压速率，建议选择5～10 kV/s，则击穿电压值选择6.0～6.5倍的额定电压。3.2 电热老化试验电热老化试验是通过模拟定子线棒真机运行工况，来考核定子线棒主绝缘的耐电热综合因素的性能，得出其电热老化的寿命，从而评定线棒绝缘结构在实际运行条件下的耐电热老化的水平[4-5]。电热老化试验更接近于定子线棒的运行环境条件，可优化绝缘结构的设计，指导实际生产，降低成本，提高经济效益。IEEE 1553-2007标准规定：额定电压为22 kV及以下的水轮发电机组线圈和定子线棒的电热老化试验温度为发电机设计层间温度的最高值[8]。国内一般是采用制造厂的企业标准或IEEE 1553-2007标准，没有统一