大型發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)試驗研究

潘延明，陳 陽

（1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

大型發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)試驗研究

潘延明1，陳 陽2

（1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

本文詳述了大型發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)試驗的設(shè)備選取原則和試驗程序；結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，對定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)開展電應(yīng)力、電熱應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力、熱機(jī)械應(yīng)力、電機(jī)械應(yīng)力評定試驗。嚴(yán)格的診斷與評定為定子繞組的正常運行提供可靠的質(zhì)量保證。

定子線圈；絕緣結(jié)構(gòu)；絕緣評定

0 引言

大型發(fā)電機(jī)定子線圈在運行過程中將承受電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的作用，這些應(yīng)力將導(dǎo)致絕緣劣化。為保證定子線圈在設(shè)計壽命期內(nèi)正常運行，電機(jī)制造廠必須使用有效檢測手段檢驗絕緣的質(zhì)量水平和潛在缺陷。作為國內(nèi)最大的大型發(fā)電機(jī)制造基地之一的哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，參照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及實際運行經(jīng)驗對定子線圈絕緣進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)格的診斷與評定。

1 常規(guī)絕緣質(zhì)量診斷試驗

介質(zhì)損耗因數(shù)、局部放電、工頻耐電壓、電暈和工頻擊穿試驗是檢驗大型發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣初始制造質(zhì)量的重要手段，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及試品特征，需選取合適的設(shè)備和方法測試參數(shù)的本征值。

1.1 介質(zhì)損耗因數(shù)試驗

介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）試驗是無損檢驗定子線圈質(zhì)量優(yōu)劣的重要手段，其指標(biāo)大小與絕緣的固化程度、氣隙含量、材料特性有關(guān)。IEC60894-1987、IEEE286-2000等國際標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)介紹了電機(jī)絕緣tanδ的試驗方法。由于國內(nèi)許多制造廠的定子線圈均采用“對地絕緣與防電暈涂層一次成型”工藝，為避免破壞槽部及端部防電暈層，由哈爾濱大電機(jī)研究所負(fù)責(zé)對多種電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取測量電極包至防電暈層末端方式進(jìn)行“一次成型工藝制造線圈”的tanδ試驗，制定機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7608-2006。

西林（Schering）電橋是測量tanδ的重要手段，圖1所示為西林電橋的試驗原理圖。

圖1 西林電橋測試原理（正接線）

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，電流比較儀式電橋及數(shù)字化測量電橋也得到廣泛的應(yīng)用。與西林電橋相比，電流比較儀式（Kuster-Peterson）測量原理（圖2）消除了對地雜散電容的影響，測量精度較高，適用于單支線圈（對地浮動）的tanδ試驗。

圖2 電流比較儀測量原理（正接線）

如圖3所示，數(shù)字化計算參考信號與測量信號的測試設(shè)備采用分體式設(shè)計，具有更小的體積。由于采用光纖傳導(dǎo)/無線傳導(dǎo)提取測量信號，可將高壓試品與低壓的計算單元有效隔離，這種測量方法特別適用于整機(jī)繞組（機(jī)殼接地）的tanδ試驗。

圖3 數(shù)字化測量原理（反接線）

1.2 局部放電試驗

局部放電試驗分為在線和離線試驗，在線試驗是電機(jī)運行過程中基于狀態(tài)診斷的重要手段；而制造工廠中通常使用離線試驗檢驗發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣的初始制造質(zhì)量。

發(fā)電機(jī)離線局部放電試驗主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)有IEEE1434-2005、IEC60034-27-2006和GB/T20833-2007，標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)介紹了局部放電的試驗方法和程序。由于局部放電試驗是從不同技術(shù)發(fā)展而來，即使是電測法也根據(jù)測量硬件差異而存在不同測量參數(shù)[1]。

GB/T20833-2007的技術(shù)內(nèi)容基本等同于IEC60034-27-2006，與之相比最大的差別是增加附錄A，即采用視在放電量（pC）作為評價標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2][3]也是以視在放電量作為局部放電的評價準(zhǔn)則。GB/T7354-2003對視在放電量測量原理進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，哈電機(jī)公司所使用設(shè)備的測試原理均以視在放電量作為局部放電評價指標(biāo)。

在眾多檢測項目和手段中，局部放電試驗的優(yōu)勢在于可對絕緣缺陷類型進(jìn)行初步識別，PRPDP（相位識別圖）已經(jīng)得到認(rèn)可，在IEC60505-2011、IEC60034-27-2006及IEC60034-27-2-2012中均引用PRPDP作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。結(jié)合文獻(xiàn)[4]中模擬條件和結(jié)果并根據(jù)生產(chǎn)及科研的實際測試經(jīng)驗，對幾種常見局部放電缺陷識別模式進(jìn)行總結(jié)，如圖4所示。

圖4 PRPDP圖（用LDS-6設(shè)備記錄）

1.3 工頻耐電壓試驗

工頻耐電壓試驗的關(guān)鍵因素是工頻試驗變壓器，所選用的試驗裝置應(yīng)滿足GB/T 16927.1-2011和GB/T 16927.2-2013中關(guān)于輸出電壓波形、測量裝置準(zhǔn)確度的要求。

1.4 電暈（暗室）試驗

暗室（blackout）試驗是簡單實用的觀察起暈及放電現(xiàn)象的有效手段，此項試驗需在完全無光的條件下由肉眼進(jìn)行觀測，國內(nèi)許多標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7894-2009，GB/T8564-2003）都對這項試驗的判定準(zhǔn)則提出具體要求。哈電機(jī)公司建有單支線棒耐電壓試驗專用暗室，如圖5所示，還可對整機(jī)定子繞組進(jìn)行遮光起暈試驗。

圖5 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒暗室試驗

1.5 工頻擊穿試驗

工頻擊穿試驗是檢驗絕緣結(jié)構(gòu)介電性能及裕度的重要試驗，GB/T1408.1-2006是檢驗絕緣材料的工頻擊穿強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；對于高壓成型定子線圈來說，由于電極型式（導(dǎo)電極包繞線圈槽部）較為簡單，并未形成專門的試驗標(biāo)準(zhǔn)。按照GB/T1408.1-2006關(guān)于瞬時與逐級擊穿的規(guī)定并結(jié)合定子線圈質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗。

2 絕緣結(jié)構(gòu)可靠性評定

為保證機(jī)組可靠運行，在制造廠內(nèi)還需對定子線圈進(jìn)行模擬運行應(yīng)力的耐久性試驗（可靠性評定）。國際電工委員會（IEC）和美國電氣工程師學(xué)會（IEEE）制定了一系列的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，哈電機(jī)公司主要依照這些標(biāo)準(zhǔn)和要求開展大型發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)可靠性評定。

2.1 電老化與電熱老化試驗

IEEE1043-1996和IEEE1553-2005是應(yīng)用最為廣泛的電老化試驗與電熱老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，不過這兩項標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確區(qū)分電老化和電熱老化試驗，也沒有規(guī)定電熱老化的試驗溫度，這容易引起用戶的混淆，并給實際操作帶來不便，為此國內(nèi)專家根據(jù)兩項標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求并將電老化與電熱老化進(jìn)行區(qū)分制定了NB/T42004-2013和NB/T42005-2013，其中NB/T42005-2013由哈電機(jī)公司牽頭制定。

2.1.1 電老化試驗

按照NB/T 42004-2013的要求開展電老化試驗，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，哈電機(jī)公司所開展的試驗還具有如下特征：

（1）為減少電網(wǎng)波動的影響，將補償式穩(wěn)壓器接入試驗變壓器裝置電壓輸入端；

（2）為減少波形畸變的影響，試驗變壓器裝置均采用接觸式調(diào)壓方式（替換原有移圈感應(yīng)調(diào)壓）；

（3）為保證試驗過程中除電應(yīng)力外，試品不受其他應(yīng)力的影響，設(shè)計結(jié)構(gòu)獨特的電老化試驗用支撐裝置（實用新型專利號：ZL201020686486.6）；

（4）建立新的電老化專用試驗室，進(jìn)行全尺寸線圈電老化試驗（圖6），有效檢驗轉(zhuǎn)角R處等薄弱環(huán)節(jié)的耐電應(yīng)力水平。

2.1.2 電熱老化試驗

IEC60034-18-1-2010中指出，熱應(yīng)力并不是成型繞組（特別是氫冷冷卻方式）運行中的主要老化因子，因此針對大型發(fā)電機(jī)定子線圈很少進(jìn)行單獨的熱應(yīng)力老化試驗，而是進(jìn)行電熱老化試驗；此外，在IEC60034-18-33-2010多因子老化評定試驗程序中也是以電應(yīng)力和熱應(yīng)力聯(lián)合作用作為多因子老化因素。

圖6 全尺寸定子線圈電老化試驗（大型汽輪/水輪發(fā)電機(jī)定子線圈）

按照NB/T42005-2013的要求進(jìn)行電熱老化試驗，如圖7所示，除滿足電應(yīng)力的試驗要求（2.1.1）外，加熱系統(tǒng)對試驗也將產(chǎn)生重要影響。

以內(nèi)置加熱管的鋁制模具作為加熱元件，精度為0.2℃的Pt100（鉑電阻）作為測溫元件并采用PID控制，保證整個試驗過程中溫度誤差在±1℃以內(nèi)（發(fā)明專利號：ZL200910073355.2）。

圖7 全尺寸定子線圈電熱老化試驗（試品為大型水輪發(fā)電機(jī)定子線圈）

2.2 冷熱循環(huán)試驗

檢驗定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)耐熱機(jī)械（thermo-mechanical）劣化能力對于燃汽輪發(fā)電機(jī)和抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)（頻繁啟停和調(diào)峰運行）機(jī)組十分重要。IEEE1310-1996首次提出了冷熱循環(huán)試驗，并詳細(xì)規(guī)定了試驗程序和參數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛應(yīng)用[5]；IEEE1310-2012并未對試驗參數(shù)進(jìn)行修訂，只是縮小了適用范圍。IEC60034-18-34-2012是IEC制定的熱機(jī)械劣化試驗標(biāo)準(zhǔn)，分為試驗程序1（包含模擬槽）和試驗程序2（自由狀態(tài)定子線圈）。哈電機(jī)公司主要參照IEEE1310標(biāo)準(zhǔn)并兼顧IEC60034-18-34中試驗程序2的技術(shù)要求開展冷熱循環(huán)試驗，特征如下：

（1）在控溫線圈上鉆孔，以線圈銅導(dǎo)線溫度控制冷熱循環(huán)試驗，如圖8所示；

（2）設(shè)計線圈引線與電源銅排間的“軟”、“硬”連接件及特制夾具，保證試驗過程中無外力影響；

（3）實時調(diào)整加熱和制冷工況，確保勻速升降溫，如圖9所示。

2.3 環(huán)境模擬試驗

環(huán)境應(yīng)力是影響定子繞組正常運行的重要因子，然而遺憾的是IEC和IEEE均未形成關(guān)于定子繞組環(huán)境應(yīng)力劣化的評定標(biāo)準(zhǔn)。

在水電1000MW級定子線圈的研制過程中，哈電、東電及西安交通大學(xué)共同開展了繞組耐環(huán)境模擬[6]試驗，試驗程序和模擬繞組分別如圖10和11所示。

圖8 在絕緣上鉆孔，孔中插入測溫元件

圖9 多個周期升降溫曲線

圖10 1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣環(huán)境模擬試驗流程圖（性能測試包括絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)及增量、局部放電）

所設(shè)計的試驗方案包含濕熱老化周期及診斷子周期（性能測試），滿足絕緣結(jié)構(gòu)評定的基本原則。

圖11 噴涂油污后的繞組

2.4 機(jī)械應(yīng)力試驗

大型發(fā)電機(jī)定子線圈在制造和實際運行過程中所受機(jī)械應(yīng)力包括：搬運和嵌線時受到局部彎曲應(yīng)力作用；穩(wěn)態(tài)運行過程中受到雙倍工頻振動力作用；暫態(tài)運行過程中受到突然沖擊及彎曲應(yīng)力作用；機(jī)組頻繁起停導(dǎo)致的熱機(jī)械應(yīng)力作用。在定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮絕緣的剛?cè)峒骖?，定子線圈必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。

目前，IEC和IEEE均未制定統(tǒng)一的機(jī)械應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)。在IEC60034-18-1-2010中介紹的試驗為IEC60034-18-34-2012的熱機(jī)械應(yīng)力老化（冷熱循環(huán)試驗），標(biāo)準(zhǔn)中還明確指出現(xiàn)階段無法建立統(tǒng)一的機(jī)械應(yīng)力評定方法；在IEEE434-2006中將機(jī)械應(yīng)力分為熱機(jī)械應(yīng)力和電機(jī)械應(yīng)力，其中熱機(jī)械應(yīng)力試驗即為符合IEEE1310標(biāo)準(zhǔn)的冷熱循環(huán)試驗，而電機(jī)械應(yīng)力老化試驗尚未統(tǒng)一，只是簡單介紹了簡易的沖擊式懸臂梁和彈簧振動裝置。

由于在制造和運行過程中（電）機(jī)械應(yīng)力的影響不容忽視，國內(nèi)外的許多公司都進(jìn)行了研究，并形成了不同的機(jī)械應(yīng)力評定方法[7]，哈電機(jī)公司采用四點彎曲靜態(tài)斷裂試驗和四點彎曲動態(tài)疲勞試驗檢驗絕緣結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

2.4.1 四點彎曲靜態(tài)斷裂試驗

以鋼導(dǎo)桿為基材，云母帶繞包于鋼導(dǎo)桿上，固化成型；按照圖12所示尺寸設(shè)計夾具，采用液壓伺服試驗機(jī)進(jìn)行加載；在絕緣中點表面粘貼應(yīng)變片，檢測最大變形處的應(yīng)變變化；使用外接撓度計測量試品中點絕緣表面位移。

圖12 斷裂試驗試品及夾持位置示意圖

2.4.2 四點彎曲動態(tài)疲勞試驗

采用與四點彎曲靜態(tài)斷裂試驗相同的試品進(jìn)行試驗，試品的夾持位置如圖13所示，采用液壓伺服試驗機(jī)進(jìn)行加載；在絕緣中點表面粘貼應(yīng)變片，載荷加載方式為單方向拉伸疲勞。

圖13 疲勞試驗夾持位置示意圖

2.4.3 試驗特征分析

（1）為消除導(dǎo)體對絕緣層力學(xué)性能的影響，采用合金結(jié)構(gòu)鋼作為導(dǎo)體材料；

（2）絕緣結(jié)構(gòu)機(jī)械應(yīng)力失效的直接體現(xiàn)是其介電性能的改變，（電）機(jī)械應(yīng)力老化試驗首要目的是建立機(jī)械應(yīng)力失效指標(biāo)與介電性能的關(guān)系。為有效比較機(jī)械應(yīng)力失效前后絕緣結(jié)構(gòu)的介電性能，兩項試驗使用試品導(dǎo)桿的棱角半徑、絕緣層長度、絕緣厚度及工藝均與標(biāo)準(zhǔn)鋁排試品相同；

圖14 四點彎曲與三點彎曲合應(yīng)力分析圖

（3）與文獻(xiàn)[7]使用的三點彎曲試驗方法相比，四點彎曲試驗具有不同的受力特征。圖14所示為四點和三點彎曲中間路徑合應(yīng)力分析（以疲勞試驗為例），在中間210mm范圍內(nèi)，四點彎曲的合應(yīng)力等值，而三點彎曲只有中點處的合應(yīng)力最大。概括來說，四點彎曲的受力形式及分析簡單，最大應(yīng)力分布均勻，可有效檢驗絕緣結(jié)構(gòu)機(jī)械應(yīng)力失效的薄弱部位。

3 紫外成像儀、紅外熱像儀和高速攝像儀在電暈（放電）試驗中的應(yīng)用

日盲型紫外成像儀可在白天或者無法遮光的條件下進(jìn)行電暈測試，可不依賴人眼而是根據(jù)所顯示的紫外光子數(shù)確定電暈的位置和強(qiáng)弱，還可以結(jié)合局部放電試驗來確定起始電壓和熄滅電壓[8]，因而得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)已經(jīng)形成相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)（DL/T298-2011）。圖15所示為紫外成像儀記錄的線棒端部防暈區(qū)的電暈情況。

圖15 定子線圈端部防暈區(qū)電暈情況：電暈集中和電暈分散

在耐電壓試驗和起暈試驗過程中，由于表面電流的流過引起線圈防電暈區(qū)發(fā)熱，當(dāng)防電暈結(jié)構(gòu)設(shè)計不良時，將發(fā)生過熱現(xiàn)象而導(dǎo)致防電暈層失效及發(fā)生熱擊穿，因此溫度也是考核定子線圈防電暈結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的重要參數(shù)，采用紅外熱像儀觀測耐電壓試驗和起暈試驗中定子線圈的溫度；由于具有完善的后處理功能，可實時顯示被測部位的溫度分布（圖16），為后續(xù)分析提供重要參考。

圖16 百萬千瓦級汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組耐電壓試驗過程的紅外熱成像

繞組耐電壓試驗是制造階段檢驗繞組絕緣性能的關(guān)鍵手段，當(dāng)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計不良或者存在防電暈設(shè)計缺陷時，將發(fā)生空氣放電及沿面閃絡(luò)。由于放電受到諸多因素的影響，其機(jī)理十分復(fù)雜，探究放電的最佳方式就是記錄放電痕跡，使用Olympus I—speed高速攝像機(jī)（全分辨率下的速度為2000幀/秒）進(jìn)行耐壓過程監(jiān)控，并將檢測結(jié)果減速16倍分析放電痕跡。圖17所示為大型汽輪發(fā)電機(jī)模擬繞組耐電壓過程中記錄的放電痕跡。

圖17 大型汽輪發(fā)電機(jī)模擬繞組耐電壓監(jiān)控

4 結(jié)論

（1）結(jié)合絕緣離線試驗的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和實際運行經(jīng)驗，哈電機(jī)公司對大型發(fā)電機(jī)定子線圈及繞組絕緣的初始質(zhì)量進(jìn)行全面檢測，為定子繞組的正常運行提供質(zhì)量保證。

（2）大型空冷機(jī)組、百萬千瓦級核電機(jī)組及大型抽水蓄能機(jī)組已經(jīng)成為我國電源建設(shè)的主力機(jī)型，這些機(jī)組對定子線圈絕緣提出了更高的要求（可靠性和運行應(yīng)力），哈電機(jī)公司將密切跟蹤國內(nèi)外絕緣檢測標(biāo)準(zhǔn)的變化情況，密切關(guān)注這些機(jī)組實際運行特征和在線監(jiān)測結(jié)果，制定針對性的絕緣初始質(zhì)量試驗方案，為絕緣材料研制、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計和絕緣工藝改進(jìn)提供可靠和可信的數(shù)據(jù)。

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審稿人：滿宇光

Insulation System Testing Research for Stator Coils of Large Generator

PAN Yanming1, CHEN Yang2
(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

Insulation diagnosis test equipment selecting and test procedure are detailed introduced for stator coils of large generator. Based on the domestic standard and overseas standard, evaluation test for electric stress, electric combined with thermal stress, environment stress, thermo-mechanical stress andelectric-mechanical stress are performed for stator coils of large generator. Strict diagnosis test and evaluation test provide reliable quality assurance for failure-free operating of stator winding.

stator winding; insulation system; insulation evaluation

TM312

A

1000-3983(2016)02-0023-05

2014-08-17

潘延明（1962-），1984年畢業(yè)于哈爾濱電工學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司副總工程師，長期從事發(fā)電機(jī)絕緣技術(shù)工作，高級工程師。