大型水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)絕緣測量失真研究

楊 樹 鋒

（溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657330）

大型水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)絕緣測量失真研究

楊 樹 鋒

（溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657330）

大型水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)絕緣參數(shù)測量經(jīng)常會遇到各種各樣的問題。本文分析了水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)純水引水鋼管對定子機(jī)座絕緣不良會造成定子繞組絕緣參數(shù)測量嚴(yán)重失真的原因，提出了將引水鋼管與匯水環(huán)管短接以便降低引水鋼管絕緣要求的改進(jìn)方案。經(jīng)試驗驗證和三峽電站的實踐，說明此方案合理、有效、可靠、方便，具有推廣價值。

水內(nèi)冷；水輪發(fā)電機(jī)；定子繞組；引水鋼管；絕緣；測量；失真

0 前言

準(zhǔn)確測量發(fā)電機(jī)定子繞組的絕緣參數(shù)，對于發(fā)電機(jī)能否投入運行以及日后的安全穩(wěn)定運行都非常重要。水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，一般是指定子繞組內(nèi)部通入冷卻水進(jìn)行冷卻的水輪發(fā)電機(jī)。水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣參數(shù)，受冷卻水與匯流環(huán)管等多種因素的影響。

大型水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)的冷卻水，一般稱作純水。純水冷卻系統(tǒng)一般由純水裝置（包括電動水泵、熱交換器、離子交換器、機(jī)械過濾器等）、進(jìn)出水總管、匯水環(huán)管及被冷卻定子繞組等組成。匯水環(huán)管一般布置在定子繞組的下部，進(jìn)、出水匯水環(huán)管上設(shè)計有很多純水分支接口，通過聚四氟乙烯塑料軟管（以下簡稱絕緣軟管）與被冷卻的線棒相連。冷卻水要從匯水環(huán)管進(jìn)水管流經(jīng)一根或數(shù)根線棒后回到匯水環(huán)管出水管，形成純水循環(huán)冷卻回路。當(dāng)純水冷卻支路串聯(lián)的線棒數(shù)為奇數(shù)或布置在定子機(jī)座上方的定子繞組匯流環(huán)需要水內(nèi)冷時，就必需要有純水支路穿越發(fā)電機(jī)定子機(jī)座。根據(jù)要求，定子繞組水系統(tǒng)的管道應(yīng)采用防銹材料(如不銹鋼無縫管)制成[1]，因此穿越定子機(jī)座的這部分純水管路一般均選擇導(dǎo)電性能良好的不銹鋼管材。例如三峽左岸電站6臺VGS機(jī)組和三峽右岸電站4臺東電機(jī)組就有這種純水管路結(jié)構(gòu)。具有此種水內(nèi)冷管路結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)極易出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣參數(shù)測量嚴(yán)重失真。

1 分析與改進(jìn)

1.1 原因分析

以三峽電站此類機(jī)組為例，投產(chǎn)初期，三峽電站此類發(fā)電機(jī)在排除了匯水環(huán)管以及冷卻水等常規(guī)因素的影響之后，常常發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣測量結(jié)果仍然嚴(yán)重偏低，給運行維護(hù)人員造成了極大的困擾。定子繞組絕緣少則只有幾兆歐，多則二三十兆歐（均為三相整體對地絕緣，以下同），而且定子絕緣隨純水電導(dǎo)率的減小而提高。以三峽18F定子絕緣測量結(jié)果為例（如表1所示），發(fā)電機(jī)除定子絕緣電阻嚴(yán)重偏低外，吸收比也嚴(yán)重偏小（標(biāo)準(zhǔn)為不小于 1.6）。此類發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻測量結(jié)果雖嚴(yán)重偏低，但機(jī)組零起升壓后，并網(wǎng)運行情況良好。這說明測量結(jié)果沒有反映發(fā)電機(jī)定子絕緣的真實情況，即發(fā)電機(jī)絕緣是良好的，測量結(jié)果嚴(yán)重失真。

表1 三峽18F定子繞組絕緣隨純水電導(dǎo)率變化關(guān)系

水內(nèi)冷專用兆歐表測量發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣時的原理接線[2]如圖1所示。

圖1 水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻測量原理圖

從圖1可以看出，若水阻即純水管路某處對地（機(jī)座）絕緣不良，將造成水阻電導(dǎo)電流對地泄漏，從而引起絕緣失真。

同樣，三峽此類水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)純水匯水環(huán)管也布置在定子機(jī)座的下部，從匯水環(huán)管直接連接到定子線棒下端部的絕緣軟管有342根。另外還有8根絕緣軟管是從定子繞組的上端部（匯流環(huán)）引出，與引水鋼管連接，引水鋼管從定子鐵心背部穿過定子機(jī)座后再通過短絕緣軟管與純水匯水環(huán)管相連，其實物連接如圖2、圖3所示。設(shè)計中引水鋼管通過管夾固定在定子機(jī)座中，并與機(jī)座絕緣。

圖2 定子機(jī)座上端部純水引水鋼管支路連接實物圖

從圖2、圖3可以看出，如果純水引水鋼管與機(jī)座（地）絕緣不良，在發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣測量中就可能造成通過長絕緣軟管的純水泄漏電流部分或全部流入機(jī)座（地），造成絕緣測量結(jié)果偏低或嚴(yán)重偏低。此時定子繞組絕緣測量的原理接線可變換為圖4所示。

圖3 定子機(jī)座下端部純水引水鋼管支路連接實物圖

圖4 通水鋼管對地絕緣不良時定子絕緣測量原理接線

每一根引水鋼管純水支路都構(gòu)成圖4中的箭頭所示接線。若有引水鋼管對機(jī)座絕緣RD為零，則該鋼管連接的長軟管水阻RY會完全與定子絕緣RF并聯(lián)，如圖5所示。

由于定子繞組絕緣遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水阻阻值RY，因此此時測量的定子繞組絕緣電阻，實際就是長絕緣軟管水阻的阻值。

圖5 通水鋼管對地絕緣為零時定子絕緣測量原理圖

1.2 純水引水鋼管原絕緣設(shè)計的缺點和不足

以三峽電站為例。按照原設(shè)計，三峽此類水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組的純水引水鋼管應(yīng)與定子機(jī)座絕緣。經(jīng)對三峽此類機(jī)組8個純水引水鋼管回路的絕緣軟管長度統(tǒng)計，長絕緣軟管長度為0.86～1.95m，短絕緣軟管長度為0.85m。絕緣軟管通純水后按照長度均勻分壓計算，按照預(yù)試規(guī)程進(jìn)行定子繞組絕緣測量（按照使用2500V專用兆歐表）和直流泄漏電流及直流耐壓試驗時引水鋼管上的對地電壓如表2所示。

表2 定子繞組絕緣測量和直流泄漏電流及直流耐壓試驗時引水鋼管對地電壓

從表2可以看出，使用2500V專用兆歐表進(jìn)行定子絕緣測量時，引水鋼管對地電壓1kV左右；進(jìn)行定子繞組直流泄漏電流和直流耐壓試驗時，引水鋼管對地電壓最高達(dá)到24.9kV，這就要求純水引水鋼管對地絕緣必須能夠承受近30kV的電壓不擊穿。

假設(shè)有一通水鋼管對地絕緣為 100M?（已不算低），用 2500V兆歐表測量定子絕緣電阻，根據(jù)表 2引水鋼管對地電壓取1kV計算，則這根引水鋼管的存在就相當(dāng)于給定子繞組絕緣并聯(lián)了一個 250M?的電阻；若定子繞組絕緣為100M?，經(jīng)計算僅由這一根引水鋼管引起的理論測量誤差就高達(dá)28.6%。既是 8根引水鋼管每根對地絕緣均為1000 M?，則此時定子繞組絕緣的測量誤差仍高達(dá)24.2%。如果 8根引水鋼管中有一根或數(shù)根引水鋼管絕緣比100M?還要低，則測量誤差之大可想而知。做直流泄漏及直流耐壓試驗時，按照試驗電壓40kV計算，僅每根引水鋼管對地的泄漏電流就高達(dá)121～199μA（按照引水鋼管對地絕緣100 M?計算），8根引水鋼管泄漏電流加起來很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)電機(jī)定子繞組本身的泄漏電流，不僅嚴(yán)重影響測量精度，還很可能造成試驗結(jié)果誤判。

因此，為避免純水引水鋼管絕緣不良對絕緣參數(shù)測量結(jié)果的嚴(yán)重影響，每根引水鋼管對機(jī)座絕緣至少應(yīng)大于3000M?（若此時定子繞組實際絕緣仍按照100 M?計算，則理論測量誤差為9.6%）。但在發(fā)電機(jī)組長期運行的電、熱、振動、油膩等因素的影響下，如此高的絕緣要求是很難實現(xiàn)的，更難在機(jī)組長期運行中保持。

由于此種引水鋼管絕緣設(shè)計要求高，當(dāng)發(fā)現(xiàn)純水引水鋼管對絕緣參數(shù)測量有嚴(yán)重影響時，要查找是哪一根純水鋼管存在絕緣問題，是十分困難的。表3是純水引水鋼管在排水前后的一組測量數(shù)據(jù)，從中可以看出，在有水情況下測量引水鋼管的絕緣電阻，實際測量的是純水的阻值，它不能反映引水鋼管對機(jī)座的真實絕緣情況（除非引水鋼管對機(jī)座的絕緣已下降到水阻數(shù)量級）。要測量純水引水鋼管對機(jī)座（地）真正的絕緣，必須將引水鋼管內(nèi)的純水全部排掉，非常費工費時。

表3 純水引水鋼管排水前后絕緣對比

綜上所述，純水引水鋼管原絕緣設(shè)計是很不合理的。

1.3 改進(jìn)方案

三峽電站此類機(jī)組純水引水鋼管回路的長絕緣軟管最短長度為0.86m，大于線棒與純水匯水環(huán)管間的絕緣軟管長度（0.85m）。因此，長絕緣軟管足以承受發(fā)電機(jī)運行電壓和各類試驗電壓。那么，可考慮將純水引水鋼管與匯水環(huán)管用導(dǎo)線連接，即將短絕緣軟管水阻Ry短接，使引水鋼管成為匯水環(huán)管的一部分，如圖6所示。這樣，與引水鋼管連為一體的匯水環(huán)管對機(jī)座（地）絕緣只要不小于水內(nèi)冷專用兆歐表測量定子絕緣時對匯水環(huán)管絕緣要求值（例如三峽電站常使用的專用兆歐表為不小于3k?），就能滿足定子繞組絕緣測量要求。

圖6 引水鋼管與匯水環(huán)管短接示意圖

此方法把純水引水鋼管原來的高絕緣設(shè)計要求轉(zhuǎn)化為很容易做到的低絕緣小指標(biāo)，且對發(fā)電機(jī)正常運行及絕緣參數(shù)測量精度無任何不良影響，方便、簡單、實用。

2 試驗驗證

根據(jù)上述理論分析，定子絕緣嚴(yán)重偏低的水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，從定子線棒上端部穿越到定子機(jī)座下端部的引水鋼管，很可能存在對機(jī)座（地）絕緣不良的情況。

以三峽電站17F為例，在純水沒有排空的情況下，對 8根純水引水鋼管的絕緣進(jìn)行了測量，結(jié)果如表 4所示。

從表 4可以看出，17F有兩根引水鋼管對機(jī)座絕緣為零或幾乎為零，說明有兩個長絕緣軟管的水阻已與發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻并聯(lián)，此時測得的定子絕緣電阻一定比較小。17F定子繞組的絕緣驗證試驗結(jié)果如表5所示。

表4 17F純水引水鋼管絕緣測量值（250V兆歐表，純水電導(dǎo)率0.484μs/cm）

表5 17F定子絕緣驗證試驗記錄（純水電導(dǎo)率0.485μs/cm，匯水環(huán)管絕緣17k?）

分析可知，若不考慮水內(nèi)冷專用兆歐表本身的測量誤差及其他因素的影響，表5中第4次測量結(jié)果應(yīng)是最準(zhǔn)確的。表5中的測量誤差是以第4次測量值為基準(zhǔn)計算的?？梢钥闯?，如果不將Ry短接，即使引水鋼管對地絕緣沒有明顯的問題，發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣測量誤差也在20%左右。

三峽電站10臺此類水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)組按照短接Ry的方案全部進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。從此之后，只要匯水環(huán)管對地絕緣合格，就再沒有出現(xiàn)過發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣測量嚴(yán)重失真的情況。

3 結(jié)論

（1）具有引水鋼管穿越定子機(jī)座純水支路的水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣參數(shù)測量嚴(yán)重失真，往往是由于純水引水鋼管對機(jī)座（地）絕緣不良造成的。

（2）此類水輪發(fā)電機(jī)組純水引水鋼管原高絕緣的設(shè)計要求，在工程實踐中不易做到，更難長久保持，也極不合理。它將造成絕緣參數(shù)測量的嚴(yán)重偏差或試驗結(jié)果誤判。此類機(jī)組純水引水鋼管愈多，單根鋼管對機(jī)座的絕緣越小，則測量結(jié)果失真愈嚴(yán)重。

（3）在純水管路不排水的情況下，引水鋼管絕緣無法準(zhǔn)確測量，因此絕緣失真故障不易排查。若為此專門將純水管路排水，則費工費時，十分不便。

（4）將純水引水鋼管與純水匯水環(huán)管短接，使其成為匯水環(huán)管的一部分，可以大大降低發(fā)電機(jī)運行及電氣試驗時對引水鋼管的絕緣要求（一般為千歐級），為徹底消除定子絕緣參數(shù)測量失真奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

（5）三峽電站此類水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組整改經(jīng)驗說明，此改進(jìn)方案合理、有效、可靠、方便，具有推廣價值。

[1] GB/T 7894-2009水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件[S].

[2] 陳明. 三峽左岸電站水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)絕緣電阻測量問題分析[J]. 華中電力, 2007, 20(3): 31-34.

審稿人：滿宇光

Study of Insulation Measurement Distortion in Large Internal Water Cooled Generator

YANG Shufeng
(Xiluodu HadropowerPlant, 657330 Yongshan, China)

Large internal water cooled generator often faces various problems. This paper analyzes the reason of the measurement distortion in the stator winding insulation which caused by bad insulation between water cooled generator stator’s water diversion pipe and stator frame. And the scheme of connecting the diversion steel pipe and catchment ring pipe to reduce insulation requirement of the diversion steel pipe has been proposed. By test and practice of the Three Gorges Power Station, we have proved that this scheme is reasonable, efficient, reliable, convenient, and worth to spread.

internal water cooling; hydro-generator; the stator winding; steel pipe; insulation;measurement; distortion

TM306

A

1000-3983(2014)03-0053-04

2013-11-27

楊樹鋒（1964-），1999年畢業(yè)于重慶大學(xué)電力系統(tǒng)及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事水電站電氣一次技術(shù)管理工作，高級工程師。