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一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)定子交流耐壓試驗(yàn)絕緣擊穿原因分析及處理

陳吉?jiǎng)伲踅?，房志?qiáng)，吳永濤，張文軍，趙 乾，陳俊達(dá)，黃 勇

（中廣核核電運(yùn)營有限公司大修中心電氣處，深圳 518124）

某核電廠一臺(tái)百萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組在安裝結(jié)束后進(jìn)行定子繞組交流耐壓交接試驗(yàn)過程中，C相和A相先后發(fā)生了對(duì)地?fù)舸?。?jīng)分析，原因是定子繞組下半過渡引線軟連接沿上絕緣塊拼接處縫隙、通過絕緣盒固定絕緣螺桿到達(dá)壓電式測(cè)振探頭及其引線發(fā)生了沿面放電。通過將壓電式測(cè)振探頭改進(jìn)為主絕緣級(jí)的光纖式測(cè)振探頭，并對(duì)絕緣盒固定螺桿進(jìn)行環(huán)氧樹脂密封切斷放電路徑，三相交流耐壓試驗(yàn)全部順利通過。至今此發(fā)電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行超過3年，在線局放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示定子絕緣情況良好。

發(fā)電機(jī)；交流耐壓；沿面放電；壓電式測(cè)振探頭；光纖式測(cè)振探頭

1 放點(diǎn)過程

某核電廠發(fā)電機(jī)（額定功率1086 MW，定子額定電壓24 kV），于2010年5月2日安裝后進(jìn)行定子繞組交流耐壓試驗(yàn)。

首先對(duì)發(fā)電機(jī)C相繞組進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)電壓升到32 kV時(shí)，在勵(lì)端底部，疑似封母出線箱位置傳出清脆放電聲響，立即斷電檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。重新測(cè)量C相絕緣也無明顯變化，懷疑接線松動(dòng)或?qū)Φ剡^近所致。檢查接線確認(rèn)無問題后再次升壓，12 kV時(shí)在同樣位置又傳出放電聲響，斷電檢查封母出線箱、電流互感器二次線接地、測(cè)振元件接地，均無異常，單獨(dú)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備空升至40 kV也無異常（可調(diào)電感因條件限制沒有空載升壓試驗(yàn)）。

之后對(duì)發(fā)電機(jī)A相繞組進(jìn)行試驗(yàn)，在電壓升至36.3 kV時(shí)在同樣的位置傳出一樣的放電聲響，斷電檢查封母出線箱無異常，經(jīng)仔細(xì)分析、排查，認(rèn)為放電位置可能發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部。打開檢查后發(fā)現(xiàn)A、C相中性點(diǎn)側(cè)定子出線下半過渡引線絕緣盒上安裝的2個(gè)壓電式測(cè)振元件引線被擊穿。

本文對(duì)壓電式測(cè)振元件擊穿原因和處理措施進(jìn)行了分析和討論。

2 原因分析

2.1 交流耐壓試驗(yàn)

汽輪發(fā)電機(jī)交流耐壓試驗(yàn)接線如圖1所示。試驗(yàn)前檢查發(fā)電機(jī)定子水電導(dǎo)率和絕緣合格情況；測(cè)溫、測(cè)振元件短接接地；非被試相短接接地；氣隙探測(cè)線圈短接接地；封閉母線短接接地。介質(zhì)損耗和局部放電試驗(yàn)（24kV）未見放電。

另外，在C相第1次進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，沒有進(jìn)行首、尾端短接工作，在C相首端加壓、尾端接電壓表進(jìn)行監(jiān)視（規(guī)程是允許的）。試驗(yàn)過程中觀察C相尾端的電壓僅比首端高20～30 V。在聽到第1次放電聲后，將C相的首、尾端短接進(jìn)行第2次試驗(yàn)，以后的試驗(yàn)都在首、尾短接情況下進(jìn)行。

T—調(diào)壓器；B—試驗(yàn)變壓器；L—補(bǔ)償電抗器；A1和A2—電流鉗表；A3—高壓分壓器；G—發(fā)電機(jī)及其A、B、C三相定子繞組

2.2 檢查故障點(diǎn)情況

打開汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)端出線罩人孔門，檢查故障點(diǎn)，具體放電位置在C相、A相中性點(diǎn)側(cè)的測(cè)振探頭第1道綁扎帶處（測(cè)振探頭安裝在定子出線下半過渡引線絕緣盒上）。

2.3 放電原因分析

為查清放電路徑，使用視頻內(nèi)窺鏡檢查了絕緣盒內(nèi)部，如圖2（內(nèi)窺鏡從下向上伸入的視圖，C相因空間限制內(nèi)窺鏡無法進(jìn)入）所示。

圖2 測(cè)振探頭綁扎帶A相內(nèi)部放電照片

從圖2可看出，放電的路徑是從下半過渡引線軟連接沿上部絕緣塊接縫到絕緣盒的絕緣固定螺桿。

拆除放電點(diǎn)絕緣螺桿后，可以看到放電沿螺桿進(jìn)行，最終到達(dá)測(cè)振探頭（接點(diǎn)），形成對(duì)地通路。周圍絕緣盒區(qū)域損壞相對(duì)較輕。

綜上所述，放電途徑是定子繞組下半過渡引線軟連接（表面為試驗(yàn)電壓）沿兩塊上絕緣塊拼接處縫隙、通過絕緣盒固定絕緣螺桿到達(dá)測(cè)振引線（試驗(yàn)中接地，為地電位）結(jié)束。

從結(jié)構(gòu)上看，絕緣盒材料為玻璃纖維，擊穿強(qiáng)度為8 kV/mm，絕緣盒厚度6.5 mm，可承受52 kV電壓。絕緣盒內(nèi)壁離軟連接約30～35 mm，約可承受100 kV電壓，總計(jì)耐壓應(yīng)該在150 kV以上，但試驗(yàn)中在30 kV左右時(shí)就發(fā)生了擊穿。

究其原因，這種放電是典型的沿面放電，即固體介質(zhì)和空氣的分界面上出現(xiàn)沿著固體介質(zhì)表面的氣體放電現(xiàn)象，其本質(zhì)是一種氣體放電，但沿面閃絡(luò)電壓比單純的氣體或固體單獨(dú)作絕緣介質(zhì)時(shí)擊穿電壓都低很多。

造成本次放電的原因是，在設(shè)計(jì)中，定子出線與套管間的軟連接原設(shè)計(jì)按照周圍是氣體絕緣考慮（離最近的外殼距離在250 mm以上，僅在外部扣了一層6.5 mm厚的玻璃纖維絕緣盒起到防護(hù)作用，未按照承擔(dān)主絕緣設(shè)計(jì)。

如果在絕緣盒的外部沒有測(cè)振探頭，這個(gè)設(shè)計(jì)是沒有問題的，但是當(dāng)壓電式測(cè)振探頭將地電位引至絕緣盒外表面時(shí)，未按主絕緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)的軟連接與絕緣盒間的絕緣塊、空氣和絕緣盒將共同承擔(dān)交流耐壓的電壓，最終在絕緣最弱的地方引起沿面放電而擊穿。

3 處理方案

3.1 改進(jìn)方法

針對(duì)放電原因提出以下改進(jìn)方法：

（1）將過渡引線軟連接處的絕緣按主絕緣處理，但軟連接和絕緣盒間的空間因?yàn)檫€要承擔(dān)運(yùn)行中的氫氣冷卻功能（內(nèi)部無冷卻水）而不能再包絕緣，所以此處改進(jìn)困難較大，短期內(nèi)無法實(shí)施。

（2）將測(cè)振探頭的絕緣按主絕緣改進(jìn)。即采用高絕緣強(qiáng)度的光纖探頭，不會(huì)將接地點(diǎn)電位引到絕緣盒附近。

（3）將從過渡引線軟連接到測(cè)振探頭沿面放電路徑進(jìn)行封堵，沿長爬電距離，可將絕緣螺桿的螺紋與絕緣盒的空隙完全封死。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)處理

（1）現(xiàn)場(chǎng)采用了上述3.1節(jié)第（2）和第（3）兩個(gè)方法。將壓電式測(cè)振探頭更換為光纖式探頭，設(shè)計(jì)耐受電壓交流60 kV。

（2）軟連接上部絕緣僅發(fā)生了沿面閃絡(luò)，從內(nèi)窺鏡上看燒傷程度不是很嚴(yán)重。因在安裝過程中，所有的固定和連接螺桿都用鎖固膠鎖死在軟連接中，拆裝時(shí)要拆除軟連接，工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高。而光纖探頭已經(jīng)按主絕緣設(shè)計(jì)改進(jìn)，此部位主要是絕緣加強(qiáng)。再考慮到運(yùn)行此部位是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，電壓較低，決定暫不更換。

（3）將發(fā)生擊穿的螺桿進(jìn)行了更換。

（4）將絕緣盒表面擊穿變色部分刮去，露出絕緣材料本色后，使用環(huán)氧樹脂膠修補(bǔ)。

（5）將絕緣盒固定螺桿的螺桿上涂滿環(huán)氧樹脂再擰入絕緣盒，切斷此沿面放電路徑。

3.3 光纖引線的爬電距離

因運(yùn)行中光纖引線表面可能臟污，測(cè)量所有光纖引線相間及對(duì)地最短距離為460 mm。根據(jù)GBT16434－1996要求：爬電距離比距為31 mm/KV。按此標(biāo)準(zhǔn)，嶺澳核電站二期發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓下的最小爬電距離為13.8×31=427.8 mm，小于以上分析的最小爬電距離460 mm，滿足IV級(jí)最嚴(yán)重污染外絕緣要求。

3.4 處理后試驗(yàn)和運(yùn)行情況

按前述方法進(jìn)行處理后，三相交流耐壓試驗(yàn)全部順利通過。至今此發(fā)電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行3年多，在線局放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及大修中進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)顯示定子絕緣情況良好，目視和內(nèi)窺鏡檢查發(fā)電機(jī)A相和C相中性點(diǎn)過渡引線絕緣盒、測(cè)振元件情況良好。

4 結(jié)論

（1）在發(fā)電機(jī)廠家設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)壓電式測(cè)振探頭安裝到表面未進(jìn)行主絕緣處理的定子下半過渡引線軟連接絕緣盒上進(jìn)行組合考慮。在所有探測(cè)元件設(shè)計(jì)完成后，絕緣設(shè)計(jì)師應(yīng)進(jìn)行最終的復(fù)審和確認(rèn)，特別留意可能引起沿面放電的地方，它們的擊穿電壓會(huì)大大低于單純的固體或氣體絕緣的擊穿電壓。

（2）發(fā)電機(jī)交流耐壓試驗(yàn)發(fā)生異?，F(xiàn)象，應(yīng)認(rèn)真分析，查清原因后再進(jìn)行下一步。不可在未找到原因時(shí)繼續(xù)，使發(fā)電機(jī)損傷范圍擴(kuò)大。

（3）通過分析，采用主絕緣級(jí)的光纖式探頭，并對(duì)其沿面放電路徑進(jìn)行封堵處理，可保證發(fā)電機(jī)交流耐壓試驗(yàn)合格及運(yùn)行安全。

[1] GBT16434－1996, 高壓架空線路和發(fā)電機(jī)、變電所環(huán)境污區(qū)分級(jí)及外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)[S]. 1996.

Analyze and Repair of a Turbine Generator Stator Winding AC Withstand Voltage Test Insulation Breakdown Case

CHEN Jisheng, WANG Jiantao, Fang Zhiqiang,Wu Yongtao, Zhang Wenjun, Zhao Qian, Chen Junda, Huang Yong

(China Nuclear Power Operation Co.Ltd COC/MEE, Shenzhen 518124, China)

During a 1000MW turbine generator stator winding AC withstand voltage test, there were insulation break down in phase C and phase A. After analyzing, the discharge along surface was found from the insulation pieces connection gap of the stator winding lower dropper connection to the piezoelectric vibration sensor and its cable. By changed the piezoelectric vibration sensor to optical fiber vibration sensor and seal the discharge path inside the insulation box with epoxy to avoid discharge, the 3 phases AC withstand voltage test has successful. So far the generator has operated over 2 years and online partial discharge system shows the stator winding insulation is good.

generator; AC withstand voltage test; discharge along surface; piezoelectric vibration sensor; optical fiber vibration sensor

TM305.2

A

1000-3983(2014)04-0027-03

2014-02-11

陳吉?jiǎng)伲?975-），1974年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)校電磁測(cè)量與儀表系電磁測(cè)量與儀表專業(yè)，長期從事電氣檢修工作，現(xiàn)從事核電電氣維修專業(yè)技術(shù)研究工作，高級(jí)工程師。

審稿人：滿宇光