爐水循環(huán)泵電機(jī)耐壓試驗(yàn)分析

李建君

(銅山華潤(rùn)電力有限公司，江蘇 徐州 221000)

爐水循環(huán)泵電機(jī)耐壓試驗(yàn)分析

李建君

(銅山華潤(rùn)電力有限公司，江蘇 徐州 221000)

分析了交、直流耐壓試驗(yàn)在傳統(tǒng)的高壓電機(jī)試驗(yàn)中的作用，以及在交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組試驗(yàn)中的作用和表現(xiàn)，結(jié)合爐水循環(huán)泵電機(jī)的高壓繞組材質(zhì)及運(yùn)行工況，說(shuō)明直流耐壓試驗(yàn)不適用于爐水循環(huán)泵電機(jī)的試驗(yàn)，而交流耐壓試驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)爐水循環(huán)泵電機(jī)缺陷的有效手段，為電氣試驗(yàn)人員了解爐水循環(huán)泵電機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目的制定依據(jù)提供參考。

爐水循環(huán)泵電機(jī)；直流耐壓；交流耐壓；交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組

0 引言

鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)再循環(huán)泵(BCP，以下簡(jiǎn)稱“爐水循環(huán)泵”)適用于300—1 200 MW亞臨界、超(超)臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，為鍋爐高溫高壓爐水提供流動(dòng)壓頭，保證鍋爐水循環(huán)，具有提高鍋爐熱效率以及在低負(fù)荷時(shí)調(diào)峰的能力，是強(qiáng)制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐的關(guān)鍵配套設(shè)備。超(超)臨界鍋爐爐水循環(huán)泵可確保鍋爐在啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行階段、鍋爐達(dá)到最低負(fù)荷之前的爐膛水冷壁的安全；確保在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行期間保持水冷壁可靠冷卻和流動(dòng)穩(wěn)定，最大限度地回收爐水和熱量，提高啟動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性。

爐水循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)，泵頭要承受20 MPa左右的爐水壓力和300 ℃以上的爐水溫度。由于泵頭承受的爐水壓力高，無(wú)法用機(jī)械密封方式隔離電機(jī)和泵頭，導(dǎo)致所配高壓電機(jī)本體承受高溫高壓。因電機(jī)內(nèi)部允許運(yùn)行溫度只有60 ℃，只能采用濕定子結(jié)構(gòu)。電機(jī)絕緣繞組采用德國(guó)NSW公司生產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）型導(dǎo)線，其熱量需依靠周圍流動(dòng)的無(wú)鹽水帶走。以下就交直流耐壓試驗(yàn)對(duì)于爐水循環(huán)泵電機(jī)的適用性進(jìn)行探討。

1 常規(guī)高壓電機(jī)直流耐壓和交流耐壓試驗(yàn)

電機(jī)的電氣預(yù)防性試驗(yàn)是保證電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性的重要措施。通過(guò)試驗(yàn)可以掌握電機(jī)的絕緣情況，及早發(fā)現(xiàn)缺陷，以便及時(shí)進(jìn)行維護(hù)與檢修，防止電機(jī)在運(yùn)行中絕緣被擊穿而造成事故。交、直流耐壓試驗(yàn)是預(yù)防性試驗(yàn)中較為重要的2種，是檢驗(yàn)電機(jī)繞組絕緣耐電強(qiáng)度、絕緣狀況，發(fā)現(xiàn)局部缺陷的有效方法。

直流耐壓和交流耐壓試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，這類試驗(yàn)?zāi)苡行Оl(fā)現(xiàn)危害性較大的集中性缺陷，是電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)預(yù)防絕緣事故的發(fā)生起著重要的作用。同時(shí)，直流耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)因其性質(zhì)的差異，在電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)中擔(dān)負(fù)著不同的作用。

1.1 電機(jī)直流耐壓試驗(yàn)的原理和作用

電機(jī)直流耐壓試驗(yàn)是電機(jī)在高于幾倍工作電壓的直流電壓下,經(jīng)歷一定時(shí)間的耐電強(qiáng)度試驗(yàn)。在直流電壓加壓過(guò)程中，電機(jī)定子線圈絕緣介質(zhì)發(fā)生電子式極化和離子式極化，形成充電電流Ic。由于這2種極化過(guò)程極短，因此充電電流在施加直流電壓后很快衰減為0。而絕緣介質(zhì)中的偶極子在直流電壓下發(fā)生偶極子極化，并且由于絕緣介質(zhì)是用不同材料復(fù)合而成，或者絕緣材料是不均勻的，還會(huì)產(chǎn)生夾層極化，這2種極化形成了吸收電流Ia，它比充電電流Ic衰減慢得多。另外，絕緣介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng)形成傳導(dǎo)電流Ig，它在直流電壓穩(wěn)定后很快就趨于恒定。上述3種電流及電機(jī)絕緣在直流耐壓下的總電流I，隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。

進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，在加壓一段時(shí)間后，直流電壓發(fā)生器的微安表指示穩(wěn)定于一定數(shù)值，這個(gè)數(shù)值等于或近似于傳導(dǎo)電流；這時(shí)電機(jī)絕緣中的電壓分布與電阻成正比，與電容無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)，直流耐壓試驗(yàn)反映的是分層介質(zhì)的電阻絕緣情況。由于在直流耐壓試驗(yàn)時(shí)不存在電容電流，只有很小的傳導(dǎo)電流，故沿著絕緣表面沒(méi)有顯著的電壓降；且電壓分布均勻，不論離鐵芯多遠(yuǎn)，端部導(dǎo)線與絕緣表面間的電位差都是相當(dāng)高的，這樣就能比較容易地發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部絕緣的缺陷。

對(duì)于絕緣良好的電機(jī)，其傳導(dǎo)電流與外加直流電壓成線性關(guān)系。但實(shí)際上，傳導(dǎo)電流只是在一定電壓范圍內(nèi)與外加直流電壓成線性關(guān)系。當(dāng)電壓超過(guò)UA后，離子活動(dòng)加劇，電流增長(zhǎng)比電壓增長(zhǎng)快，電機(jī)絕緣下降；當(dāng)電壓大于UB后，電流急劇增大，絕緣電阻急劇下降，發(fā)生絕緣擊穿。具體關(guān)系如圖2所示。

圖1 直流電壓下通過(guò)絕緣的電流變化曲線

圖2 直流電壓下傳導(dǎo)電流、絕緣電阻與電壓的關(guān)系

開(kāi)展直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，在一定電壓范圍內(nèi)，絕緣良好的電機(jī)伏安特性近似于直線；當(dāng)電機(jī)存在缺陷或受潮時(shí)，傳導(dǎo)電流將急劇增加，伏安特性曲線就不再呈直線了。

1.2 電機(jī)交流耐壓試驗(yàn)的原理和作用

電機(jī)交流耐壓試驗(yàn)是對(duì)電機(jī)施加一高于運(yùn)行中可能遇到的過(guò)電壓數(shù)值的工頻電壓，并經(jīng)歷一定時(shí)間，以檢查電機(jī)的絕緣水平。由于交流耐壓試驗(yàn)是施加工頻電壓，在電機(jī)的絕緣中極化過(guò)程占據(jù)了主導(dǎo)作用，電壓的不斷變化使傳導(dǎo)電流相對(duì)充電電流和吸收電流在數(shù)值上小得多，這相當(dāng)于施加工頻電壓給定子線圈對(duì)地的電容進(jìn)行反復(fù)充放電的過(guò)程。因此，這時(shí)電機(jī)絕緣中的電壓分布與電容成反比，可見(jiàn)交流耐壓試驗(yàn)反映的是分層介質(zhì)的電容絕緣情況。

在對(duì)電機(jī)開(kāi)展交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓一般比運(yùn)行電壓要高出很多，而頻率與運(yùn)行電壓相同，這樣交流耐壓試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫啬M電機(jī)絕緣在實(shí)際運(yùn)行中承受的過(guò)電壓情況，使絕緣經(jīng)受更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，從而更有效地發(fā)現(xiàn)電機(jī)絕緣的薄弱點(diǎn)。這也是保證電機(jī)絕緣水平，避免電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生絕緣事故的重要手段。

由于在交流耐壓試驗(yàn)中端部導(dǎo)線與絕緣表面存在分布電容，端部導(dǎo)線的電容電流通過(guò)分布電容沿著絕緣表面流向接地的定子鐵芯，這樣在絕緣表面便產(chǎn)生了顯著的電壓降。離鐵芯愈遠(yuǎn)的端部導(dǎo)線與絕緣表面間的電位差就愈小，因此不能有效地發(fā)現(xiàn)端部絕緣的缺陷。交流耐壓試驗(yàn)電場(chǎng)強(qiáng)度集中在槽部，更接近于電機(jī)工作狀況，它能夠強(qiáng)有力地檢出槽部缺陷。

綜上所述，由于直流耐壓與交流耐壓的反應(yīng)機(jī)理不同，所以在電機(jī)的絕緣強(qiáng)度檢測(cè)中所起的作用也不同。直流耐壓試驗(yàn)容易發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的絕緣缺陷，交流耐壓試驗(yàn)容易發(fā)現(xiàn)電機(jī)槽部和槽口的缺陷。因此,交、直流耐壓試驗(yàn)已成為不能互相替代的試驗(yàn)，應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行。

2 爐水循環(huán)泵電機(jī)絕緣繞組耐壓分析

6 kV電壓等級(jí)的爐水循環(huán)泵電機(jī)繞組一般采用進(jìn)口的濕定子電機(jī)專用交聯(lián)聚乙烯絕緣尼龍護(hù)套線作為繞組線，其下線采用水潤(rùn)滑環(huán)圈穿繞，端部綁扎固定，工作時(shí)全部浸在無(wú)鹽水中。

2.1 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組直流耐壓試驗(yàn)存在問(wèn)題

高電壓試驗(yàn)技術(shù)的一般原則：試品上所施加的試驗(yàn)電壓場(chǎng)強(qiáng)必須模擬高壓電器的運(yùn)行工況；高電壓試驗(yàn)得出的通過(guò)或不通過(guò)的結(jié)論說(shuō)明高壓電器中的薄弱點(diǎn)是否會(huì)給今后的運(yùn)行帶來(lái)危害。這就意味著試驗(yàn)中的故障機(jī)理應(yīng)與電器運(yùn)行中的機(jī)理有相同的物理過(guò)程。按照此原則，爐水循環(huán)泵交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)存在的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1) 直流電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度是按照電阻率分布的，而交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組絕緣層中的材料含有多種成分，其電阻率分布是不均勻的，同時(shí)電阻率受溫度等因素影響比較大，所以在直流電壓下，交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組絕緣層中的電場(chǎng)分布也是不均勻的。這就可能在直流試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)部分絕緣層電場(chǎng)很強(qiáng)，另一部分絕緣層電場(chǎng)卻比較弱的情況，導(dǎo)致局部絕緣擊穿。

(2) 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組在直流電壓下會(huì)產(chǎn)生“記憶”效應(yīng)，存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷。一旦直流耐壓試驗(yàn)引起“記憶性”，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能將這種直流電壓釋放。繞組如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運(yùn)行，直流電壓便會(huì)疊加在工頻電壓峰值上，使得繞組上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)額定電壓，從而有可能導(dǎo)致繞組絕緣擊穿。

(3) 由于空間電荷效應(yīng)，在進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，絕緣中的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)其工作電場(chǎng)強(qiáng)度的十幾倍，所以即使繞組在直流耐壓試驗(yàn)時(shí)不發(fā)生擊穿，也會(huì)引起絕緣的嚴(yán)重?fù)p傷。

(4) 因直流耐壓試驗(yàn)所施加的直流電壓電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況與運(yùn)行中的交流電壓電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況不同，直流耐壓試驗(yàn)并不能模擬運(yùn)行狀態(tài)下繞組承受的過(guò)電壓，也不能有效發(fā)現(xiàn)繞組本身及繞組接頭和施工工藝上的缺陷。

(5) 直流耐壓試驗(yàn)對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組的影響有一定的積累效應(yīng)，能加速絕緣老化，且試驗(yàn)時(shí)易發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。

(6) 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組一個(gè)明顯的弱點(diǎn)是絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹(shù)枝，水樹(shù)枝在直流電壓下會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌?shù)枝，形成放電，加速絕緣劣化，導(dǎo)致運(yùn)行后在工頻電壓作用下形成絕緣擊穿。而水樹(shù)枝在單純的交流工作電壓下還能保持相當(dāng)?shù)哪蛪褐?，并能保持一段時(shí)間。這樣直流耐壓試驗(yàn)不僅不能有效發(fā)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組中的水樹(shù)枝等絕緣缺陷，而且由于空間電荷的作用，還容易造成繞組在交流電壓作用下某些本不應(yīng)發(fā)生問(wèn)題的地方在投運(yùn)不久后發(fā)生絕緣擊穿故障。

實(shí)踐也表明，直流耐壓試驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下絕緣的某些缺陷。在交流電壓下絕緣最易發(fā)生擊穿的地方，在直流電壓下往往不能擊穿。直流電壓下絕緣擊穿往往發(fā)生在交流工作條件下絕緣平時(shí)不發(fā)生擊穿的地方。

2.2 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組交流耐壓試驗(yàn)的作用

由于交流耐壓試驗(yàn)狀況接近繞組的運(yùn)行工況，所施加的耐壓電壓值較低且耐壓時(shí)間適當(dāng)加長(zhǎng)，更能反映繞組絕緣的狀況以及發(fā)現(xiàn)絕緣中的缺陷。交流耐壓試驗(yàn)?zāi)苣M交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組的運(yùn)行場(chǎng)強(qiáng)狀態(tài)，符合電壓實(shí)際波形，能達(dá)到所期望的檢驗(yàn)效果。因此，施加交流耐壓才能真實(shí)地考核交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組制造質(zhì)量，才能較有效地檢出由于材質(zhì)不良、工藝不當(dāng)?shù)仍斐傻慕^緣缺陷。

2.3 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組端部絕緣的檢驗(yàn)

傳統(tǒng)高壓電機(jī)端部的絕緣強(qiáng)度通常通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行考驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的缺陷。由于爐水循環(huán)泵電機(jī)采用濕定子電機(jī)專用交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組線，故不能通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)檢驗(yàn)其絕緣強(qiáng)度。通過(guò)改善下線工藝，采用水潤(rùn)滑環(huán)圈穿繞，端部綁扎固定，減少可能造成的端部表面劃痕；工作時(shí)全部浸在水中，保證了電機(jī)端部和槽部對(duì)地電位差的一致，使施加交流耐壓時(shí)保證了端部與槽部和槽口的電壓相同。通過(guò)以上措施后，其端部絕緣強(qiáng)度的檢驗(yàn)可以和槽部和槽口絕緣強(qiáng)度檢驗(yàn)一并通過(guò)交流耐壓試驗(yàn)進(jìn)行。

綜上所述，對(duì)于采用交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組的爐水循環(huán)泵電機(jī)，用直流耐壓試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)下線及運(yùn)行質(zhì)量，是無(wú)法保證爐水循環(huán)泵電機(jī)運(yùn)行可靠性的；采用交流耐壓試驗(yàn)才是最有效、最直接的方法，其對(duì)判斷交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組能否投入運(yùn)行具有決定性的意義，也是保證設(shè)備絕緣水平、避免發(fā)生絕緣事故的重要手段。

3 結(jié)束語(yǔ)

爐水循環(huán)泵電機(jī)采用濕定子，為非常規(guī)高壓電機(jī)。在修后試驗(yàn)和交接試驗(yàn)時(shí)應(yīng)參考廠家的要求，或者按照《電站爐水循環(huán)泵電機(jī)檢修導(dǎo)則》只進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，而不能套用電氣交接試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)。

1 唐興祚．高電壓技術(shù)[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，1999.

2 王川波．高壓電氣絕緣及測(cè)試[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

3 嚴(yán) 璋．電氣絕緣在線檢測(cè)技術(shù)[M]．西安：西安交通大學(xué)，2002.

4 國(guó)家能源局．DL/T 1132—2009電站爐水循環(huán)泵電機(jī)檢修導(dǎo)則[S]．北京：中國(guó)電力出版社，2009.

2017-03-02；

2017-05-21。

李建君(1973—)，男，工程師，主要從事火力發(fā)電設(shè)備調(diào)試、技改、檢修工作，email：shanghai29745@163.com。