大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒工頻擊穿試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)的探討

鄒祖冰，杜建國(guó)

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司機(jī)電工程部, 湖北 宜昌 443002 )

1 引言

隨著水電機(jī)組單機(jī)容量越來(lái)越大，發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)越來(lái)越高，定子線棒的絕緣性能對(duì)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯的越來(lái)越重要。工頻擊穿是考核發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣性能的一項(xiàng)重要試驗(yàn)項(xiàng)目。

工頻擊穿試驗(yàn)常用來(lái)評(píng)定發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)是否合理、絕緣壽命狀況的試驗(yàn)手段。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，工頻擊穿試驗(yàn)作為新設(shè)計(jì)定子線棒必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目。在工頻試驗(yàn)時(shí)必須確定擊穿電壓值和升壓速率等參數(shù)，在執(zhí)行IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，擊穿電壓值和升壓速率的描述的不夠詳細(xì)，具體試驗(yàn)時(shí)由于試驗(yàn)設(shè)備等原因操作起來(lái)有一定的困難。本文結(jié)合大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒的結(jié)構(gòu)和絕緣特點(diǎn)，就針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)定子線棒（電壓等級(jí)為18～26 kV）在工頻擊穿試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)擊穿電壓值以及對(duì)升壓速率如何確定進(jìn)行探討。

2 定子線棒結(jié)構(gòu)及絕緣技術(shù)[1, 2]

線棒有槽內(nèi)直線段、端部彎曲段、電接頭三部分，由銅導(dǎo)線、主絕緣和防電暈系統(tǒng)組成。

銅導(dǎo)線由多股的絕緣銅股線組成，在直線段（槽內(nèi)部分）采用合適的換位后，在端部將股線束裝在一起。股線間絕緣，防止股線之間產(chǎn)生短路環(huán)流。線棒主絕緣采用環(huán)氧云母，表面采用防電暈半導(dǎo)體材料，以保證線棒場(chǎng)強(qiáng)。線棒槽內(nèi)直線段外層表面涂刷低阻半導(dǎo)體漆，端部彎曲段表面涂刷高阻半導(dǎo)體漆。

線棒的絕緣試驗(yàn)主要有工頻耐壓、電暈、工頻擊穿試驗(yàn)、介損測(cè)量等，不同的制造廠和主絕緣的額定電壓，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不一樣。特別是工頻擊穿試驗(yàn)在選擇擊穿電壓值和升壓速度也不一樣。

3 工頻擊穿試驗(yàn)參數(shù)選擇[3]

工頻擊穿試驗(yàn)是對(duì)定子線棒主絕緣和防電暈結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)，規(guī)定合理的擊穿電壓值和電壓升壓速率，是對(duì)線棒設(shè)計(jì)、制造起到良好的引導(dǎo)作用。同時(shí)工廠試驗(yàn)過(guò)程中，使得工頻擊穿試驗(yàn)具有可操作性。

3.1 擊穿電壓值

在水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 321-2005《大中型水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中，對(duì)定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗(yàn)要求是：定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓不應(yīng)小于5.5倍額定線電壓。

在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 730-2000《進(jìn)口水輪發(fā)電機(jī)（發(fā)電/電動(dòng)機(jī)）設(shè)備技術(shù)規(guī)范》中，對(duì)定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗(yàn)要求是：定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓一般為5.5～6.0倍額定線電壓持續(xù)1min。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中，對(duì)定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗(yàn)要求是：定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓一般為5.5～6.0倍額定線電壓。

在三峽工程左岸電站機(jī)組招標(biāo)時(shí)，對(duì)定子線棒工頻擊穿電壓規(guī)定不低于5.5UN,歷時(shí)1min。各供貨廠家在工廠試驗(yàn)中，ALSTOM水電公司提出將單根線棒工頻擊穿電壓提高到6.5 UN,比招標(biāo)文件要求高20 kV。在三峽左岸電站線棒的供貨廠家實(shí)際工廠試驗(yàn)時(shí)，都滿足招標(biāo)要求的5.5 UN的要求，而且都滿足6.5 UN的要求。因此在三峽右岸電站招標(biāo)時(shí)，對(duì)定子線棒工頻擊穿電壓規(guī)定不低于6.5 UN。在溪洛渡、向家壩電站招標(biāo)時(shí)，對(duì)定子線棒工頻擊穿電壓規(guī)定不低于6 UN。

行業(yè)內(nèi)定子線棒擊穿電壓規(guī)定也有不同的看法，擊穿電壓不斷的提高，在設(shè)計(jì)絕緣時(shí)，定子線棒絕緣厚度務(wù)必加厚，絕緣厚度對(duì)定子線棒的散熱會(huì)有一定的影響，如何取得合理的絕緣厚度以及擊穿電壓是值得探討的。從目前各供貨廠家工廠試驗(yàn)來(lái)看，規(guī)定工頻擊穿電壓不低于5.5～6.5 UN應(yīng)該是合適的。

3.2 升壓速度

在水利行業(yè)和電力標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗(yàn)的加壓速度沒(méi)有描述，只有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是參考IEC 60243的試驗(yàn)方法。在三峽電站、溪洛渡和向家壩電站水輪發(fā)電機(jī)采購(gòu)時(shí)合同規(guī)定以1000 V/s加壓速度。

在IEC 60243-1-1998 《絕緣材料電氣試驗(yàn)方法》中，對(duì)定子線棒絕緣的工頻擊穿電壓試驗(yàn)描述是：在快速升壓試驗(yàn)方法中，從加壓開(kāi)始計(jì)時(shí)，發(fā)生擊穿的時(shí)間最好在10s至20s內(nèi)。升壓速度可以在100 V/s、200 V/s、 500 V/s、 1000 V/s、2000 V/s、 5000 V/s等等，根據(jù)IEC 60296標(biāo)準(zhǔn)，推薦升壓速度最好選擇2000 V/s。如果定子線棒額定電壓是23kV，擊穿電壓選擇6 UN，則是138kV，按照IEC 60243-1-1998標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，發(fā)生擊穿的時(shí)間在10s至20s內(nèi)，這樣升壓速率為6.9kV/s～13.8kV/s，顯然比IEC 60296標(biāo)準(zhǔn)推薦的2kV/s升壓速率高很多。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不是非常明確的情況下，在工廠試驗(yàn)中，如何選取升壓速率，是需要在招標(biāo)時(shí)應(yīng)該明確的。升壓速率慢，從加壓到定子線棒擊穿的時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，定子線棒會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，該效應(yīng)在定子線棒端部的防暈部位不斷累積，發(fā)生熱擊穿的幾率大，屬于熱擊穿。升壓速率快，定子線棒在快速電壓升高過(guò)程中，由于端部防暈部位絕緣厚，而直線段的主絕緣相比防暈部位絕緣薄，擊穿發(fā)生在定子線棒直線段的幾率大，屬于電擊穿。在不同部件發(fā)生擊穿，擊穿電壓值不一樣，一般情況下升壓速率慢的擊穿電壓值比升壓速率快的電壓值低，由此可以看出升壓速率是影響擊穿電壓值的因素之一。

3.3 參數(shù)選擇

在擊穿試驗(yàn)中如何選擇擊穿電壓值和電壓升壓速率是本文探討的重點(diǎn)，從上面的分析，如果選擇1kV/s的速率逐步升高，發(fā)生熱擊穿的概率大，擊穿電壓值會(huì)相應(yīng)的低，建議選擇擊穿電壓值5.5～6.0 UN，考核的部位為定子線棒端部的防暈結(jié)構(gòu)。在具體試驗(yàn)過(guò)程中，選擇 1kV/s的速率逐步升壓，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備，特別是試驗(yàn)變壓器的要求非常高，在不斷加壓過(guò)程中，變壓器磁飽和嚴(yán)重，變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，因此建議低升壓速率選擇上可以適當(dāng)提高升壓速率，原則上不超過(guò) 3kV/s即可。如果選擇較高的升壓速率，建議選擇5kV/s～10kV/s的升壓速率，發(fā)生電擊穿的概率大，擊穿電壓值會(huì)相應(yīng)的高，選擇擊穿電壓值6.0～6.5 UN，考核定子線棒主絕緣性能。

4 工頻擊穿試驗(yàn)實(shí)例

在抽取的樣本中，以不同的升壓速率加壓，升壓速率慢，擊穿電壓相對(duì)較低，擊穿點(diǎn)在端部的幾率大；升壓速率快，擊穿電壓相應(yīng)較高，擊穿點(diǎn)在槽部（直線段）的幾率大。通過(guò)對(duì)12根擊穿線棒解剖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)升壓速率低時(shí)，線棒端部爬電現(xiàn)象明顯，擊穿點(diǎn)不明顯，在升壓速率高時(shí)，基本上沒(méi)有爬電現(xiàn)象，擊穿點(diǎn)明顯從該試驗(yàn)實(shí)例驗(yàn)證了之前的推論，升壓速率在2kV/s～3kV/s時(shí)，擊穿點(diǎn)在端部，擊穿電壓值在140 kV左右，升壓速率在10kV/s時(shí)，擊穿點(diǎn)大部分在槽部（直線段），擊穿電壓值在150 kV左右，槽部擊穿電壓值比端部擊穿電壓值高。因此，采用低的升壓速率，發(fā)生熱擊穿的幾率大，對(duì)防暈結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)概率更多些，采用高的升壓速率，發(fā)生電擊穿的幾率大，對(duì)主絕緣的考驗(yàn)概率更多些。

表1 23kV定子線棒參數(shù)表

表2 擊穿試驗(yàn)詳情表

本文以目前在建水電發(fā)電機(jī)出口電壓最高的23kV定子線棒為例，試驗(yàn)線棒參數(shù)見(jiàn)表1；擊穿試驗(yàn)擊穿電壓值、升壓速率和擊穿部位詳情見(jiàn)表2。

5 結(jié)論

本文對(duì)發(fā)電機(jī)定子線棒工頻擊穿試驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了探討，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)情況，基本結(jié)論是：①如選擇低升壓速率，建議選擇不超過(guò)3kV/s，則擊穿電壓值選擇5.5～6.0UN；如選擇高升壓速率，建議選擇5kV/s～10kV/s，擊則擊穿電壓值選擇6.0～6.5UN。②本文探討的定子線棒工頻擊穿試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)，電壓等級(jí)適應(yīng)范圍為18kV～26kV。

工頻擊穿試驗(yàn)是對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣性能的考核的重要試驗(yàn)項(xiàng)目之一，特別是高電壓等級(jí)的線棒尤為重要。工頻擊穿試驗(yàn)涉及到試驗(yàn)條件、線棒擊穿發(fā)生機(jī)理等多方面研究，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源有限，只是初步的探討，希望行業(yè)內(nèi)開(kāi)啟進(jìn)一步的深入研究。

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