潘延明，陳 陽

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

大型發(fā)電機定子線圈絕緣結構試驗研究

潘延明1，陳 陽2

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

本文詳述了大型發(fā)電機定子線圈絕緣結構試驗的設備選取原則和試驗程序；結合國內(nèi)外標準，對定子線圈絕緣結構開展電應力、電熱應力、環(huán)境應力、熱機械應力、電機械應力評定試驗。嚴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；絕緣結構；絕緣評定

0 引言

大型發(fā)電機定子線圈在運行過程中將承受電應力、熱應力、機械應力和環(huán)境應力的作用，這些應力將導致絕緣劣化。為保證定子線圈在設計壽命期內(nèi)正常運行，電機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)電機制造基地之一的哈爾濱電機廠有限責任公司，參照國內(nèi)外標準及實際運行經(jīng)驗對定子線圈絕緣進行科學、嚴格的診斷與評定。

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)電機定子線圈絕緣初始制造質(zhì)量的重要手段，根據(jù)標準要求及試品特征，需選取合適的設備和方法測試參數(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，其指標大小與絕緣的固化程度、氣隙含量、材料特性有關。IEC60894-1987、IEEE286-2000等國際標準中詳細介紹了電機絕緣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，由哈爾濱大電機研究所負責對多種電極結構進行分析，選取測量電極包至防電暈層末端方式進行“一次成型工藝制造線圈”的tanδ試驗，制定機械工業(yè)標準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備采用分體式設計，具有更小的體積。由于采用光纖傳導/無線傳導提取測量信號，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繞組（機殼接地）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)電機定子線圈絕緣的初始制造質(zhì)量。

發(fā)電機離線局部放電試驗主要依據(jù)的標準有IEEE1434-2005、IEC60034-27-2006和GB/T20833-2007，標準中詳細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）作為評價標準。文獻[2][3]也是以視在放電量作為局部放電的評價準則。GB/T7354-2003對視在放電量測量原理進行了詳細規(guī)定，哈電機公司所使用設備的測試原理均以視在放電量作為局部放電評價指標。

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行初步識別，PRPDP（相位識別圖）已經(jīng)得到認可，在IEC60505-2011、IEC60034-27-2006及IEC60034-27-2-2012中均引用PRPDP作為標準內(nèi)容。結合文獻[4]中模擬條件和結果并根據(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行總結，如圖4所示。

圖4 PRPDP圖（用LDS-6設備記錄）

1.3 工頻耐電壓試驗

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

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行觀測，國內(nèi)許多標準（GB/T7894-2009，GB/T8564-2003）都對這項試驗的判定準則提出具體要求。哈電機公司建有單支線棒耐電壓試驗專用暗室，如圖5所示，還可對整機定子繞組進行遮光起暈試驗。

圖5 大型汽輪發(fā)電機定子線棒暗室試驗

1.5 工頻擊穿試驗

工頻擊穿試驗是檢驗絕緣結構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度標準；對于高壓成型定子線圈來說，由于電極型式（導電極包繞線圈槽部）較為簡單，并未形成專門的試驗標準。按照GB/T1408.1-2006關于瞬時與逐級擊穿的規(guī)定并結合定子線圈質(zhì)量分等標準要求進行試驗。

2 絕緣結構可靠性評定

為保證機組可靠運行，在制造廠內(nèi)還需對定子線圈進行模擬運行應力的耐久性試驗（可靠性評定）。國際電工委員會（IEC）和美國電氣工程師學會（IEEE）制定了一系列的檢驗標準，哈電機公司主要依照這些標準和要求開展大型發(fā)電機定子線圈絕緣結構可靠性評定。

2.1 電老化與電熱老化試驗

IEEE1043-1996和IEEE1553-2005是應用最為廣泛的電老化試驗與電熱老化試驗標準，不過這兩項標準中并沒有明確區(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)兩項標準的技術要求并將電老化與電熱老化進行區(qū)分制定了NB/T42004-2013和NB/T42005-2013，其中NB/T42005-2013由哈電機公司牽頭制定。

2.1.1 電老化試驗

按照NB/T 42004-2013的要求開展電老化試驗，在滿足標準的基礎上，哈電機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（替換原有移圈感應調(diào)壓）；

（3）為保證試驗過程中除電應力外，試品不受其他應力的影響，設計結構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，進行全尺寸線圈電老化試驗（圖6），有效檢驗轉角R處等薄弱環(huán)節(jié)的耐電應力水平。

2.1.2 電熱老化試驗

IEC60034-18-1-2010中指出，熱應力并不是成型繞組（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)電機定子線圈很少進行單獨的熱應力老化試驗，而是進行電熱老化試驗；此外，在IEC60034-18-33-2010多因子老化評定試驗程序中也是以電應力和熱應力聯(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)電機定子線圈）

按照NB/T42005-2013的要求進行電熱老化試驗，如圖7所示，除滿足電應力的試驗要求（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)電機定子線圈）

2.2 冷熱循環(huán)試驗

檢驗定子線圈絕緣結構耐熱機械（thermo-mechanical）劣化能力對于燃汽輪發(fā)電機和抽水蓄能發(fā)電電動機（頻繁啟停和調(diào)峰運行）機組十分重要。IEEE1310-1996首次提出了冷熱循環(huán)試驗，并詳細規(guī)定了試驗程序和參數(shù)，該標準得到了廣泛應用[5]；IEEE1310-2012并未對試驗參數(shù)進行修訂，只是縮小了適用范圍。IEC60034-18-34-2012是IEC制定的熱機械劣化試驗標準，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）。哈電機公司主要參照IEEE1310標準并兼顧IEC60034-18-34中試驗程序2的技術要求開展冷熱循環(huán)試驗，特征如下：

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

（2）設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均未形成關于定子繞組環(huán)境應力劣化的評定標準。

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），滿足絕緣結構評定的基本原則。

圖11 噴涂油污后的繞組

2.4 機械應力試驗

大型發(fā)電機定子線圈在制造和實際運行過程中所受機械應力包括：搬運和嵌線時受到局部彎曲應力作用；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力作用；機組頻繁起停導致的熱機械應力作用。在定子線圈絕緣結構設計中必須考慮絕緣的剛柔兼顧，定子線圈必須具有足夠的剛度和強度。

目前，IEC和IEEE均未制定統(tǒng)一的機械應力評定標準。在IEC60034-18-1-2010中介紹的試驗為IEC60034-18-34-2012的熱機械應力老化（冷熱循環(huán)試驗），標準中還明確指出現(xiàn)階段無法建立統(tǒng)一的機械應力評定方法；在IEEE434-2006中將機械應力分為熱機械應力和電機械應力，其中熱機械應力試驗即為符合IEEE1310標準的冷熱循環(huán)試驗，而電機械應力老化試驗尚未統(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）機械應力的影響不容忽視，國內(nèi)外的許多公司都進行了研究，并形成了不同的機械應力評定方法[7]，哈電機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構的機械性能。

2.4.1 四點彎曲靜態(tài)斷裂試驗

以鋼導桿為基材，云母帶繞包于鋼導桿上，固化成型；按照圖12所示尺寸設計夾具，采用液壓伺服試驗機進行加載；在絕緣中點表面粘貼應變片，檢測最大變形處的應變變化；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行試驗，試品的夾持位置如圖13所示，采用液壓伺服試驗機進行加載；在絕緣中點表面粘貼應變片，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）為消除導體對絕緣層力學性能的影響，采用合金結構鋼作為導體材料；

（2）絕緣結構機械應力失效的直接體現(xiàn)是其介電性能的改變，（電）機械應力老化試驗首要目的是建立機械應力失效指標與介電性能的關系。為有效比較機械應力失效前后絕緣結構的介電性能，兩項試驗使用試品導桿的棱角半徑、絕緣層長度、絕緣厚度及工藝均與標準鋁排試品相同；

圖14 四點彎曲與三點彎曲合應力分析圖

（3）與文獻[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)，四點彎曲的合應力等值，而三點彎曲只有中點處的合應力最大。概括來說，四點彎曲的受力形式及分析簡單，最大應力分布均勻，可有效檢驗絕緣結構機械應力失效的薄弱部位。

3 紫外成像儀、紅外熱像儀和高速攝像儀在電暈（放電）試驗中的應用

日盲型紫外成像儀可在白天或者無法遮光的條件下進行電暈測試，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弱，還可以結合局部放電試驗來確定起始電壓和熄滅電壓[8]，因而得到廣泛應用，國內(nèi)已經(jīng)形成相關的標準（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，當防電暈結構設計不良時，將發(fā)生過熱現(xiàn)象而導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構設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鍵手段，當繞組結構設計不良或者存在防電暈設計缺陷時，將發(fā)生空氣放電及沿面閃絡。由于放電受到諸多因素的影響，其機理十分復雜，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（全分辨率下的速度為2000幀/秒）進行耐壓過程監(jiān)控，并將檢測結果減速16倍分析放電痕跡。圖17所示為大型汽輪發(fā)電機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)電機模擬繞組耐電壓監(jiān)控

4 結論

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

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

[1] Dan ZLATANOVICI: Criteria for assessing the electric generator stator insulation condition[C]. CIGRE 2013.

[2] 李祚濱: 嶺澳核電站發(fā)電機局放問題淺析[J]. 大電機技術, 2012(5).

[3] 邱昌容, 王乃慶. 電工設備局部放電及其測試技術[M]. 機械工業(yè)出版社.

[4] Claude Hudon, Mario Belec. Partial discharge signal interpretation for generator diagnostics, IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation, vol.12, No.2; April 2005.

[5] 吳曉蕾. 淺談國外的冷熱循環(huán)試驗[J]. 上海大中型電機, 2003(1).

[6] FuQiang, Man Yuguang, Lu Chunlian, He Xin. Environment simulation teston stator coil for 1000MW hydro-generator[C]. CIGRE 2011.

[7] H.Mitsui, K.Yoshida. Mechanical degradation of highvoltage rotating machine insulation, IEEE Transactions on electrical insulation vol. EI-16 No.4, August 1981.

[8] E.ROBLES, O.REYES, A>GARCIA. Deterioration mechanisms found in electrical generators of a hydro plant and its rehabilitation[C]. CIGRE 2006.

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)于哈爾濱電工學院高電壓與絕緣技術專業(yè)，現(xiàn)任哈爾濱電機廠有限責任公司副總工程師，長期從事發(fā)電機絕緣技術工作，高級工程師。