水電站電力設(shè)備的高壓試驗研究

黃河明珠水利水電建設(shè)有限公司 河南三門峽 472000

隨著我國水電事業(yè)的不斷發(fā)展成熟，水力發(fā)電在我國總發(fā)電供應(yīng)中所占比逐漸增多，承擔(dān)了更多的調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)，而且發(fā)電站直接供應(yīng)工業(yè)用電的方式也在增多。在水電站的電力系統(tǒng)中有種類繁多的電力設(shè)備，保證可靠安全的供電，必須要求這些設(shè)備的安全運行。電力設(shè)備在設(shè)計、制造、運輸、安裝過程中，都可能存在質(zhì)量問題，引起潛伏的故障隱患。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備絕緣缺陷問題引起電力系統(tǒng)停電事故占比超60%，所以針對電力設(shè)備的高壓試驗工作至關(guān)重要。

1 高壓測試的分類與要求

高壓試驗是目前預(yù)防電氣事故的重要措施，為防止發(fā)生事故，在電力設(shè)備投入運行前必須要進(jìn)行高壓試驗，從而提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備中潛在的隱患[1]。

1.1 高壓試驗的分類

高壓試驗根據(jù)項目的不同分絕緣試驗和特性試驗。絕緣試驗是指通過模擬電氣設(shè)備在運行中可能承受的各種作用電壓進(jìn)行電氣設(shè)備絕緣性能的耐壓試驗，從而考驗絕緣承受電壓的能力。通常把絕緣試驗以外的電氣試驗統(tǒng)稱為特性試驗。

通過分析電力系統(tǒng)的故障，可以發(fā)現(xiàn)其中絕緣擊穿占比很高。因此為保證設(shè)備的安全運行，必須進(jìn)行絕緣試驗檢查。通常使用高于被試設(shè)備額定電壓的2～3倍或以上進(jìn)行試驗。這對設(shè)備的絕緣缺陷的考核是非常嚴(yán)格的。絕緣試驗又分為破壞性試驗和非破壞性試驗。當(dāng)非破壞性試驗已發(fā)現(xiàn)異常的情況下，應(yīng)及時查明原因并進(jìn)行消缺、檢修后再進(jìn)行破壞性耐壓試驗，以避免對設(shè)備產(chǎn)生損壞。

特性試驗的目的是檢查電氣設(shè)備的技術(shù)參數(shù)是否符合規(guī)程的要求，檢驗設(shè)備是否滿足正常運行的要求。同一臺設(shè)備可能有多個不同的特性試驗項目，如變壓器通常進(jìn)行電壓比、空載和負(fù)載損耗、空載電流、直流電阻測試、阻抗電壓等特性試驗項目。

1.2 高壓試驗的經(jīng)驗要求

高壓試驗測試過程中使用的高電壓對人員和設(shè)備的安全性都會造成一定的影響，因此在試驗過程中必須做好相關(guān)的規(guī)范要求，避免管理不當(dāng)導(dǎo)致試驗出現(xiàn)異常。

高壓試驗過程中必須有兩名以上人員參與，每次試驗開始前，試驗的負(fù)責(zé)人要對全體試驗人員詳細(xì)說明試驗中的安全注意事項，交代相鄰間隔的帶電部位以及其他安全事項。試驗時，首先對試驗設(shè)備進(jìn)行處理，試驗裝置的金屬外殼應(yīng)可靠接地，高壓引線應(yīng)盡量縮短，并采用專用的高壓試驗線，必要時還要使用絕緣物支持牢固，并且要與相鄰設(shè)備保持安全距離。試驗設(shè)備的電源開關(guān)應(yīng)使用有明顯斷開的雙極刀開關(guān)[2]。試驗裝置的低壓回路中要有兩個串聯(lián)電源開關(guān)，并加裝過載自動跳閘裝置。進(jìn)行絕緣試驗時，對測試環(huán)境要求被測試品的溫度不低于5℃；試驗過程中應(yīng)先進(jìn)行非破壞性試驗，再進(jìn)行破壞性試驗；進(jìn)行電壓極性的直流耐壓試驗時，要求采用負(fù)極性試驗等。

2 水電站高壓試驗介紹

水電站高壓試驗日常進(jìn)行的大部分為絕緣耐壓試驗，包括絕緣電阻及吸收比試驗、直流耐壓試驗、介質(zhì)損耗試驗和交流耐壓試驗等。

2.1 絕緣電阻及吸收比

絕緣電阻是反應(yīng)絕緣性能和狀態(tài)的最基本指標(biāo)之一，測量絕緣電阻是檢查電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)最簡便的輔助方法。根據(jù)絕緣電阻試驗結(jié)果能夠初步判定設(shè)備有無受潮或絕緣狀態(tài)異常。通常使用兆歐表來測量絕緣電阻和吸收比，規(guī)定加壓60s以后測得的數(shù)值為被試品的絕緣電阻。

由于不同的絕緣設(shè)備在外施電壓下電容電流與吸收電流的存在，總電流隨加壓時間而變化。當(dāng)絕緣受潮或存在缺陷時，電流的吸收現(xiàn)象不明顯，總電流隨時間下降的緩慢，因此可以通過測試電流與時間的關(guān)系來判斷絕緣的狀態(tài)，這就是吸收比和極化指數(shù)。將加壓60s和15s時的絕緣電阻比值R60’/R15’稱之為吸收比Ka，將加壓600s和60s時的絕緣電阻比值R600‘/R60’稱之為極化指數(shù)Kp?！?/p>

2.2 直流耐壓試驗

直流耐壓與直流泄露試驗原理相同，都是通過晶體管逆變或倍壓整流等方式將直流高壓加在被試設(shè)備上，并通過高低壓側(cè)自動擋位切換電流表進(jìn)行電流測量，與半波整流電路儀器相比，體積小、試驗容量大，試驗后降壓帶有自放電功能，已經(jīng)全面取代半波整流電路儀器。直流耐壓試驗?zāi)軌蚩简炿姎庠O(shè)備的電抗強(qiáng)度，反應(yīng)設(shè)備受潮、劣化和局部缺陷等多方面的問題。直流耐壓試驗在發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電纜、電容器的絕緣預(yù)防性試驗中廣泛應(yīng)用。

直流耐壓試驗過程中需要重點關(guān)注影響測量結(jié)果的因素：高壓連接導(dǎo)線對地泄露電流的影響；被試設(shè)備表面泄露電流的影響；溫度的影響；加壓速度對測量結(jié)果的影響；微安表接在不同位置時對測量結(jié)果的影響。

2.3 介質(zhì)損耗試驗

在電力系統(tǒng)中，絕緣材料在電壓的作用下總會流過一定的電流（即介質(zhì)的電導(dǎo)和極化），都存在著能量損耗，在電壓作用下絕緣材料內(nèi)部引起的能量損耗稱之為介質(zhì)損耗。通常使用介質(zhì)損耗角正切值tanδ來反應(yīng)絕緣介質(zhì)或電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的優(yōu)劣。測量介質(zhì)損耗角正切值tanδ的方法是應(yīng)用高壓交流平衡電橋（西林電橋）。

影響介質(zhì)損耗試驗的因素主要有：外界電場干擾的影響，需要避開干擾源、增加電場屏蔽、改變試驗頻率等方法排除干擾；高壓標(biāo)準(zhǔn)電容的影響，需要排除標(biāo)準(zhǔn)電容本身原因造成的影響，因此測試設(shè)備每年都需要進(jìn)行校驗，并在干燥、清潔的專用儲藏室中存儲；溫度的影響，一般情況下tanδ是隨溫度上升而增加的，試驗是應(yīng)記錄試驗溫度，并將不同溫度的試驗值換算至20℃；試驗電壓、表面泄漏電流、試驗引線等影響。

2.4 交流耐壓試驗

交流耐壓試驗是檢驗被試品絕緣承受各種過電壓能力的有效方法，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備中較危險的集中性缺陷。由于交流電壓的波形、頻率和被試品絕緣內(nèi)部的電壓分布，比較符合電氣設(shè)備正常運行時的實際情況，能夠真實有效的發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，對保證設(shè)備安全運行具有重要意義。為避免試驗時損壞設(shè)備，交流耐壓試驗必須在一系列非破壞性試驗之后進(jìn)行。交流耐壓試驗的電壓很高，對不良絕緣來說是一種破壞性試驗，會使原有的絕緣弱點繼續(xù)發(fā)展，即使是良好的絕緣也可能會受到影響。設(shè)備耐壓試驗不合格的原因主要有絕緣性能變化、絕緣中出現(xiàn)雜質(zhì)、絕緣表面臟污、試驗方法不正確、電壓測量不準(zhǔn)確、保護(hù)手段不足等。

3 高壓試驗案例——水電站高壓電機(jī)

水電站的高壓電機(jī)在維修前，都要進(jìn)行絕緣試驗，包括繞組直流電阻、絕緣電阻的測量，繞組直流耐壓和交流耐壓試驗。開始試驗前，要準(zhǔn)備電機(jī)上次的試驗報告、電橋、電動兆歐表、直流高壓發(fā)生器、交流耐壓儀等。

3.1 電機(jī)的直流試驗

（1）直流電阻測量。在測量繞組的直流電阻前，要先進(jìn)行繞組的放電，避免其中殘留的電荷影響測量結(jié)果，同時保護(hù)電橋不被擊壞。水電站中某風(fēng)機(jī)電機(jī)的電壓等級為6kV，測量前記錄好繞組的接線方式，然后接線開始測試。該電機(jī)的中性點沒有引出，所以只能進(jìn)行繞組間的直流電阻測量。測試結(jié)果：UV為0.1348Ω，UW為0.1348Ω，VW為0.1348Ω。其三相不平衡系數(shù)為0%，小于要求的1%，因此電阻測量合格。

（2）絕緣電阻測量。絕緣電阻試驗前，需要確認(rèn)電機(jī)的接地可靠性，短接電機(jī)繞組后開始試驗。絕緣電阻測試結(jié)果R15為230MΩ，R60為245MΩ，吸收比K為1.06。對比上次的實驗記錄，R15為1000MΩ，R60為1430MΩ，吸收比K為1.43。確認(rèn)電機(jī)繞組存在異常，內(nèi)部可能有受潮或者積灰放電。首先進(jìn)行確認(rèn)是否受潮，將加熱器接入外部電源，加熱器運行后對絕緣電阻進(jìn)行復(fù)測，間隔2小時進(jìn)行一次。完成10H加熱后，R15為1422MΩ，R60為1540MΩ，吸收比K為1.08。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，電機(jī)繞組存在受潮影響，但是其吸收比仍然不達(dá)標(biāo)，懷疑繞組回路中還存在積灰放電。打開電機(jī)接線盒，接線盒與電機(jī)引出線連接部位積灰嚴(yán)重。清理積灰后，重新安排測量，R15為1533MΩ，R60為3010MΩ，吸收比K為1.96，測試合格。

（3）直流漏電電流測量。直流漏電流測試前，需在安全操作的基礎(chǔ)上，對電機(jī)中測溫元件進(jìn)行短路接地。然后開始直流泄露測試。先檢查實驗儀器的連接情況，確認(rèn)沒有問題后進(jìn)行空升試驗。按照規(guī)程檢修時6kV的電機(jī)直流耐壓最高為15kV，設(shè)定過電保護(hù)為16kV。升壓過程中，當(dāng)電流發(fā)生急劇變化時，立即停止試驗檢查。升壓需要實施階梯升壓的方法，設(shè)定每3kV為一個階段，每個階段停留1分鐘記錄繞組上的泄露電流值。試驗結(jié)果I3kV為2μA，I6kV為 3μA，I9kV為5μA，I12kV為 7μA，I15kV為 9μA，升壓過程中泄露電流穩(wěn)步上升，且都在20μA以內(nèi)，測試通過。

3.2 電機(jī)的交流試驗

交流耐壓試驗是檢驗電力設(shè)備絕緣水平最可靠的試驗，因為其試驗環(huán)境最接近正常運行的狀態(tài)。與直流耐壓測試一樣，需要先檢查設(shè)備連接狀況，然后進(jìn)行空升。按照規(guī)程要求6kV的電機(jī)檢修時的交流試驗電壓為9kV。交流耐壓試驗過程，也需要關(guān)注電流狀況，電壓緩慢升壓至9kV，并保持1分鐘后結(jié)束試驗。試驗結(jié)果：交流耐壓試驗9kV，保持1分鐘無異常[3]。

3.3 小結(jié)

試驗完成后，要拆除接線清理試驗現(xiàn)場。通過直流試驗和交流試驗的數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)電機(jī)高壓試驗結(jié)果合格。在整個試驗過程中，最大的難點在于絕緣部分，特別是繞組的絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)分析以及試驗過程中異常的處理解決。

4 結(jié)語

高壓試驗是水電站安全生產(chǎn)運行的重要保障措施，本文通過理論和實踐兩個角度對水電站高壓試驗進(jìn)行了總結(jié)，對高壓試驗過程的研究具有一定的參考意義。高壓試驗是一個無止境的研究課題，特別是水電站的高壓試驗，要求相關(guān)人員要依靠試驗過程中經(jīng)驗的積累，不斷提升技術(shù)水平，為水電站的安全生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。