黃紹波，漆臨生，梁智明，何海洋，胡 波，劉 偉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司， 四川德陽 618000)

1 750 MW級(jí)核能發(fā)電機(jī)定子繞組直流泄漏電流測試研究

黃紹波，漆臨生，梁智明，何海洋，胡 波，劉 偉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司， 四川德陽 618000)

介紹了單機(jī)1 750 MW級(jí)核能發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣的直流泄漏電流測試原理、測試方法及測試過程，并計(jì)算了定子繞組在各階梯電壓下的電流分量，對(duì)直流泄漏電流中的吸收極化電流分量進(jìn)行了定量計(jì)算與分析。結(jié)果表明，定子繞組絕緣表面泄漏電流為測試電流的主要成分，繞組表面泄漏電流與總電流具有很好的一致性。

核能發(fā)電機(jī)；定子繞組；泄漏電流

0 引言

1 750 MW級(jí)核能發(fā)電機(jī)是當(dāng)今世界單機(jī)容量最大的發(fā)電機(jī)組，定子繞組額定電壓高達(dá)27 kV，定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝難度大。如此大容量、高電壓、設(shè)計(jì)壽命長的核能發(fā)電機(jī)組不僅對(duì)定子繞組絕緣設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也對(duì)定子繞組整機(jī)絕緣試驗(yàn)技術(shù)提出了很高的要求。

因?yàn)榻恢绷麟妷涸诎l(fā)電機(jī)定子繞組端部絕緣內(nèi)部的分布差異，一般認(rèn)為[1]：對(duì)于繞組端部非貫穿性缺陷或裂紋、表面臟污、吸潮等，直流試驗(yàn)比交流試驗(yàn)更加靈敏。同時(shí)，直流試驗(yàn)有對(duì)絕緣損傷低、易于發(fā)現(xiàn)定子繞組端部絕緣局部缺陷、擊穿瞬間的過電壓沖擊小、缺陷模態(tài)清晰等優(yōu)點(diǎn)，因此直流試驗(yàn)通常作為交流試驗(yàn)的預(yù)防性試驗(yàn)進(jìn)行。

常規(guī)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組的直流泄漏電流考核比較簡單。根據(jù)JB/T 6204—2002《高壓交流電機(jī)定子線圈及繞組絕緣耐電壓試驗(yàn)規(guī)范》中的規(guī)定考核定子繞組端部絕緣水平，每0.5Un(Un為電機(jī)額定電壓，下同)為一個(gè)電壓階段，每一階段停留1 min，直到3.5Un電壓階梯。同時(shí)記錄泄漏電流值并計(jì)算其變化值，通常要求如下[2]：a)泄漏電流不隨時(shí)間的延長而增大。b)在2.5Un試驗(yàn)電壓下，最大泄漏電流在20μA及以上時(shí)，三相繞組的泄漏電流之差不大于最小值的50%。

該發(fā)電機(jī)定子繞組端部絕緣防暈采用全防暈技術(shù)。同時(shí)定子繞組端部固定采用可調(diào)節(jié)的端部壓板錐環(huán)固定結(jié)構(gòu)。定子繞組制造裝配要求高、端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，通過更精密的測試設(shè)備和更高的測試標(biāo)準(zhǔn)來測試定子繞組絕緣的直流泄漏電流，通過定量計(jì)算與分析定子繞組絕緣的直流泄漏電流的電流分量，有助于更加嚴(yán)格地考核定子繞組端部絕緣水平。

1 測試原理

1.1 直流試驗(yàn)下的電流分量

1.1.1 直流升壓過程中的充電電流

定子繞組絕緣在施加一個(gè)直流電壓下，測試得到的總電流(即充電電流)主要由四部分構(gòu)成[3]：表面泄漏電流、幾何電容電流、電導(dǎo)電流和吸收極化電流。其中幾何電容電流瞬時(shí)衰減，在1 min讀數(shù)時(shí)已經(jīng)衰減至可以忽略，通常不影響泄漏電流測量。對(duì)于粘接良好的現(xiàn)代聚酯或環(huán)氧云母等絕緣體系，流經(jīng)絕緣內(nèi)部的體積電導(dǎo)電流基本為零。表面泄漏電流對(duì)于時(shí)間是相對(duì)恒定的。吸收極化電流Ia隨時(shí)間緩慢衰減，主要由絕緣材料所產(chǎn)生的極化決定。

由絕緣的吸收極化和不均勻性等引起的吸收極化電流Ia在施加電壓下是時(shí)間t的函數(shù)，吸收極化電流Ia與時(shí)間的關(guān)系如式(1)所示[3]。式中：Ia為吸收極化電流，U為外施電壓，K和n為絕緣系統(tǒng)的特征參數(shù)，t為施壓時(shí)間。

Ia=KUt-n

(1)

因此，直流試驗(yàn)中測試的總電流(充電電流)I可以簡化為吸收極化電流Ia與泄漏電流If之和，如式(2)所示。前者隨電壓與時(shí)間變化，后者只與電壓有關(guān)。

I=Ia+If

(2)

1.1.2 直流試驗(yàn)中的放電電流

對(duì)定子繞組施加直流電壓一段時(shí)間后，移去定子繞組施加的直流電壓，直接通過電流測試儀測量定子繞組對(duì)地電流，測得的絕緣總電流(即放電電流，與充電電流極性相反)主要由兩部分構(gòu)成[3]：容性放電電流和吸收放電電流。其中容性放電電流幾乎瞬時(shí)衰減；吸收放電電流Ir與吸收極化電流Ia特性相同，但極性相反。在相同時(shí)刻下兩者如式(3)所示。顯然地，兩者均隨時(shí)間緩慢衰減，主要由絕緣材料所產(chǎn)生的極化決定。

Ia=|Ir|

(3)

(4)

1.2 直流階梯升壓下各電壓階段的電流

1.2.1 直流階梯升壓測試原理

定子繞組施加階梯電壓時(shí)，假設(shè)滿足如下兩個(gè)條件：

1) 每個(gè)電壓階段持續(xù)時(shí)間足夠短(5 min)，以使通過絕緣的總電流在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)(lg-lg)上是一條直線[4]；

2) 對(duì)于現(xiàn)代熱固性絕緣系統(tǒng)，可以認(rèn)為介電吸收的斜率n和乘數(shù)因子K不隨電壓與時(shí)間而變化[5]。

則測得的總電流I是階梯施加直流電壓的函數(shù)，通過連續(xù)外推吸收極化電流，就可以計(jì)算每階段的泄漏電流，如式(5)所示。

If=I-∑Ia

(5)

1.2.2 直流階梯升壓測試方法

當(dāng)定子繞組絕緣在恒定直流電壓下完成預(yù)極化過程后，對(duì)定子繞組分階段緩慢升壓并在各電壓階段停留相等的一段時(shí)間，讀取并記錄各電壓階段末的電流值，具體計(jì)算步驟如下：

1) 在每個(gè)電壓階段，分別測量30 s和5 min時(shí)的充電電流；

2) 計(jì)算6 min時(shí)相應(yīng)的充電電流I；

3) 通過外推，計(jì)算前面階段和本階段6 min的吸收極化電流總和Ia；

4) 求取6 min時(shí)I與Ia的差值，即泄漏電流If。

(6)

式中：If1為第1階段時(shí)間t的泄漏電流；Ia1為第1階段時(shí)間t的吸收極化電流；K為吸收電流乘數(shù)因子；n為吸收極化電流的吸收指數(shù)，與絕緣系統(tǒng)相關(guān)；lgb1為第1階段充電電流與時(shí)間雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)直線的截距；-m1為第1階段充電電流與時(shí)間雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)直線的斜率。

(7)

(8)

該階段6 min時(shí)刻的充電電流為：

(9)

(10)

因此，第一階段的泄漏電流If1為：

(11)

同理，第p階段6 min時(shí)充電電流Ip為：

(12)

當(dāng)任一相鄰電壓階梯的電壓增量ΔU相等時(shí)，則由電壓增量引起的吸收極化電流也相等，第p階段6 min時(shí)的吸收極化電流為：

(13)

每個(gè)階段的充電電流等于各階段的吸收極化電流與泄漏電流之和，而各階段的吸收極化電流由本階段新增電壓引起的吸收極化電流與前面所有階段各自衰減至該時(shí)間的殘余電流的疊加值[4]，如圖1所示。

圖1 前兩個(gè)電壓階梯的吸收電流分量疊加

(14)

那么，第p階段的泄漏電流Ifp為：

(15)

2 試驗(yàn)部份

2.1 測試設(shè)備

定子繞組泄漏電流測試設(shè)備包括電動(dòng)兆歐表、數(shù)據(jù)采集裝置、高壓直流發(fā)生器、檢流計(jì)等。

2.2 測試過程

定子繞組直流泄漏電流測試分為兩個(gè)測試階段，第一階段為定子繞組三相并聯(lián)極化電流測試，第二階段為定子繞組分相階梯升壓泄漏電流測試。

2.2.1 繞組三相并聯(lián)極化電流測試

將三相繞組并聯(lián)，定子機(jī)座和測溫元件良好接地。施加0.2Un(5.4 kV)的恒定直流電壓，充電時(shí)間和放電時(shí)間均為30 min，記錄測試過程中充電和放電電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。定子繞組三相并聯(lián)極化試測試回路如圖2所示。

圖2 定子繞組三相并聯(lián)極化測試回路

2.2.2 繞組階梯升壓直流泄漏電流測試

使用高壓直流發(fā)生器和檢流計(jì)分相進(jìn)行階梯升壓直流泄漏電流測試：

1) 從0.2Un開始，以0.2Un為階梯逐級(jí)升壓，每個(gè)測試電壓保持5 min，直至2.0Un。

2) 記錄每個(gè)測試電壓下30 s和5 min的充電電流，并計(jì)算每個(gè)測試電壓下6 min時(shí)的充電電流、吸收極化電流和泄漏電流。

定子繞組分相階梯升壓直流泄漏電流測試回路如圖3所示。

圖3 定子繞組分相泄漏電流測試回路

3 結(jié)果分析

3.1 繞組三相并聯(lián)極化電流分析

由圖4可以看出，三相繞組在0.2Un直流電壓下的I～t極化曲線基本表現(xiàn)為冪函數(shù)的形式。三相繞組在充電和放電過程中，總電流在起始階段主要為幾何電容電流，很快衰減完全，其次為吸收極化電流，從較高值緩慢衰減，衰減時(shí)間大于30 min。

圖4 定子繞組電流與時(shí)間I～t極化曲線

圖5表示三相繞組的充放電電流分別與時(shí)間的關(guān)系。由圖5可知，lgI～lgt雙對(duì)數(shù)曲線接近于直線，充電電流大于放電電流，充電電流與放電電流的差值主要由表面泄漏電流的差異引起。

圖5 定子三相繞組lgI～lgt雙對(duì)數(shù)曲線

3.2 階梯升壓階段的電流分析

圖6 U相繞組階梯升壓過程中的I～U曲線

圖7 V相繞組階梯升壓過程中的I～U曲線

圖8 W相繞組階梯升壓過程中的I～U曲線

如圖6～圖8所示，通過對(duì)測試結(jié)果的計(jì)算分析可知：

1) 表面泄漏電流為測得的充電電流的主要成分，吸收極化電流隨電壓升高而緩慢增加，但逐漸趨于平穩(wěn)。

2) 表面泄漏電流與總電流具有基本一致的趨勢。

4 結(jié)語

1) 1 750 MW級(jí)核能發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣的表面泄漏電流與總電流具有基本一致的I～U趨勢。

2) 通過定量計(jì)算和分析定子繞組絕緣的直流泄漏電流的電流分量，為高電壓、大容量核能發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣測試技術(shù)的發(fā)展積累了一定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

[1] 成永紅. 電力設(shè)備絕緣檢測與診斷[M].北京：中國電力出版社,2001：106～117.

[2] JB/T 6204—2002，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，高壓交流電機(jī)定子線圈及繞組絕緣耐電壓試驗(yàn)規(guī)范[S].

[3] GB/T 20160—2006，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣電阻測試[S].

[4] 胡波. GVPI交流電動(dòng)機(jī)定子繞組nA級(jí)直流泄漏電流測試研究[J].東方電機(jī).2013.1：49-53.

[5] IEEE std 95-2002，IEEE Recommended Practice for Insulation Testing of AC Electric Machinery (2300V and above) With High Direct Voltage [S].