侯中峰 劉 瞻 任 民 呂尚霖 王家駒

（西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710054）

0 引言

大型汽輪發(fā)電機(jī)作為火力發(fā)電廠高壓電氣主設(shè)備之一，在電力生產(chǎn)中扮演了非常重要的角色，汽輪發(fā)電機(jī)的正常工作是火力發(fā)電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。為保證汽輪發(fā)電機(jī)正常工作，需要在制造、安裝、交接、檢修及運(yùn)行等各個(gè)階段嚴(yán)格把關(guān)。交流耐壓試驗(yàn)作為發(fā)電機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)，是大型汽輪發(fā)電機(jī)在制造、安裝、交接、檢修及預(yù)防性試驗(yàn)中必做的試驗(yàn)項(xiàng)目。

交流耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)電壓和工作電壓的波形、頻率一致，作用于絕緣內(nèi)部的電壓分布及擊穿性能比較等同于發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。無論從劣化 角度來看還是從熱擊穿的角度來看，交流耐壓試驗(yàn)是比較可靠的檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)主絕緣的方法[1]。

隨著發(fā)電機(jī)容量越來越大，試驗(yàn)設(shè)備體積迅速變大，交流耐壓試驗(yàn)的實(shí)施受到一定程度的影響。為解決試驗(yàn)設(shè)備體積迅速變大、質(zhì)量迅速增加的問題，行業(yè)內(nèi)引入變頻耐壓試驗(yàn)以減小設(shè)備體積，雖符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但并不是嚴(yán)格意義上的工頻波形，對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性有一定影響。本文從減小試驗(yàn)設(shè)備體積及質(zhì)量、同時(shí)嚴(yán)格遵循工頻波形角度出發(fā)，提出一種大型汽輪發(fā)電機(jī)工頻交流耐壓試驗(yàn)方法，以提高發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓工作效率，為其他類型發(fā)電機(jī)試驗(yàn)提供參考[2-11]。

1 傳統(tǒng)交流耐壓試驗(yàn)方法

1.1 調(diào)感法串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)

工頻交流耐壓試驗(yàn)中，被試發(fā)電機(jī)表現(xiàn)為容性阻抗，且電容量比較大，如果直接加壓，需要試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器和電源的容量非常大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有一定難度，又因?yàn)轶w積龐大，受場(chǎng)地及運(yùn)輸所限，導(dǎo)致試驗(yàn)受阻，一般會(huì)通過調(diào)感法或者調(diào)頻法來獲得試驗(yàn)所需的耐壓值。

傳統(tǒng)方法一般會(huì)采用調(diào)感法進(jìn)行串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器L，使之與試品電容量CX形成諧振，調(diào)感法發(fā)電機(jī)串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)電路如圖1所示。

圖1 調(diào)感法發(fā)電機(jī)串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)電路

發(fā)生諧振時(shí)，有

式中：R、XL、XC、U、UL、UC、I、IL、IC、Q分別為試驗(yàn)回路中等效電阻、可調(diào)電抗器感抗、試品容抗、試驗(yàn)變壓器提供電壓、可調(diào)電抗器感抗電壓、試品電壓、試驗(yàn)回路電流、可調(diào)電抗器電流、試品電流和品質(zhì)因數(shù)。

串聯(lián)諧振使試驗(yàn)變壓器電壓降低了Q倍，電流表現(xiàn)為阻性電流，所以電源容量大大降低。串聯(lián)諧振優(yōu)點(diǎn)：若被試品擊穿，則諧振終止，高壓消失；擊穿后電流下降，不致造成被試品擊穿點(diǎn)擴(kuò)大[1]。

1.2 調(diào)頻法串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)

隨著變頻電源的逐漸推廣，調(diào)頻法串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)方法產(chǎn)生，調(diào)頻法發(fā)電機(jī)串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)電路如圖2所示，與調(diào)感法不同的是，工頻電源變成了變頻電源。試驗(yàn)電路諧振時(shí)計(jì)算方法與調(diào)感法串聯(lián)諧振類似。

圖2 調(diào)頻法發(fā)電機(jī)串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)電路

DL/T 1768—2017《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求：在采用變頻諧振進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)頻率應(yīng)在45～55Hz范圍內(nèi)。所以對(duì)于某一型號(hào)發(fā)電機(jī)，需要在配置時(shí)考慮頻率適用范圍，即

調(diào)頻法試驗(yàn)裝置一般采用掃頻法尋找最優(yōu)諧振頻率點(diǎn)，此方法優(yōu)缺點(diǎn)與調(diào)感法中選用定值電抗器時(shí)類似，電抗器選擇方法也與之類似；另外，調(diào)頻法試驗(yàn)波形中諧波對(duì)試品可能會(huì)有傷害，且頻率存在差異時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣考核效果是否合適尚需在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中驗(yàn)證。當(dāng)只有一種類型發(fā)電機(jī)時(shí)，個(gè)別火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性試驗(yàn)采用此方法。由于體積小，易搬運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員更接受此種試驗(yàn)方法。

根據(jù)GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》第9.2條耐壓試驗(yàn)要求“在工廠試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓應(yīng)為工頻電壓，電壓波形應(yīng)盡可能具有正弦波形”及GB/T 1029—2005《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》第4.13條工頻耐壓試驗(yàn)要求“試驗(yàn)電壓的頻率為工頻，電壓波形應(yīng)盡可能接近正弦波形”。而DL/T 1768—2017僅適用于預(yù)防性試驗(yàn)，所以從制造、安裝、交接、檢修及預(yù)防性試驗(yàn)全過程通用性出發(fā)，配置試驗(yàn)儀器應(yīng)以工頻交流耐壓試驗(yàn)方式為主。

2 混聯(lián)式交流耐壓試驗(yàn)方法

一般情況下，300MW汽輪發(fā)電機(jī)單相電容量約為0.15～0.25μF，600MW汽輪發(fā)電機(jī)單相電容量約為0.2～0.3μF，1 000MW汽輪發(fā)電機(jī)單相電容量約為0.25～0.4μF。當(dāng)要使用同一套工頻耐壓設(shè)備做多個(gè)機(jī)型試驗(yàn)時(shí)，調(diào)感法串聯(lián)諧振可能存在電抗器可調(diào)量不夠，或者可調(diào)電抗器及試驗(yàn)變壓器過載問題。比如某些特殊情況下，需要對(duì)發(fā)電機(jī)整體繞組進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，某1 000MW發(fā)電機(jī)電容量最大為1.2μF，如果使用圖1中調(diào)感法，則試品諧振電流過大，為進(jìn)行試驗(yàn)，需要重新訂做新的電抗器和試驗(yàn)變壓器。此方法的缺點(diǎn)：①可調(diào)電抗器一般體積較大，電抗器體積隨容量增大迅速變大，對(duì)試驗(yàn)空間有一定要求，搬運(yùn)變得很困難，運(yùn)輸費(fèi)用成倍增長(zhǎng)；②試驗(yàn)變壓器要考慮增加容量，多個(gè)試驗(yàn)變壓器造成資源浪費(fèi)。

當(dāng)進(jìn)行多個(gè)機(jī)型耐壓試驗(yàn)，電容量波動(dòng)范圍較大（0.15～1.2μF）時(shí)，本文設(shè)計(jì)一種混聯(lián)法諧振耐壓試驗(yàn)方法，該方法諧振耐壓試驗(yàn)如圖3所示，與圖1中調(diào)感法相比，增加一個(gè)與試品并聯(lián)的可調(diào)電抗器L1，與可調(diào)電抗器L（變壓器阻抗LT1也為感性，下面為計(jì)算簡(jiǎn)便，假設(shè)該支路電感均集中在L，電阻R均集中在試驗(yàn)變壓器）同時(shí)為試品提供電流。當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，簡(jiǎn)要計(jì)算如下。

圖3 發(fā)電機(jī)混聯(lián)法諧振耐壓試驗(yàn)電路

式中：Lo、IL1、IC、Q分別為與試品發(fā)生諧振的電感值、L1電流、試品電流和品質(zhì)因數(shù)。

可以看出品質(zhì)因數(shù)增大，同時(shí)試驗(yàn)變壓器及電抗器L所需要的電流減小，額外電流由可調(diào)電抗器L1承擔(dān)。上述計(jì)算均是假設(shè)試品電容量已知、電抗器為理想元件情況下所得，雖與實(shí)際工程應(yīng)用有差別，但不影響耐壓試驗(yàn)結(jié)果。一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)為配置方便，會(huì)優(yōu)先選擇兩個(gè)電抗器數(shù)值相等或者相近，當(dāng)情況不滿足時(shí)，再根據(jù)需求使用數(shù)值不等的情況，但要注意電流差別不能太大。

圖3中混聯(lián)法若不能滿足試驗(yàn)中要求，可以再與試品并聯(lián)一個(gè)電抗器進(jìn)行分流，數(shù)值大小一般與L、L1相同，在試驗(yàn)變壓器容量和電流允許情況下，可以再并聯(lián)新的電抗器。

另外一種混聯(lián)法的形式是，如果恰好有兩套小容量試驗(yàn)變壓器和電抗器，可以將其并聯(lián)為試品提供諧振能量，即把L1支路更換為試驗(yàn)變壓器加電抗器支路，同時(shí)給試品提供能量，此方法在發(fā)電機(jī)耐壓試驗(yàn)中用得相對(duì)較少，一般在電容量非常大的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中使用。

3 混聯(lián)式交流耐壓試驗(yàn)方法應(yīng)用及比較

某1 000MW汽輪發(fā)電機(jī)，額定電壓為27kV，因故障定子線棒損壞，需要對(duì)所有定子線棒重新布線，從線棒到現(xiàn)場(chǎng)到發(fā)電機(jī)整體交接試驗(yàn)，需要進(jìn)行線圈下線前、下層線圈整體、上下層線圈同試、定子完成后和發(fā)電機(jī)裝配后等五個(gè)階段耐壓試驗(yàn)。線圈下線前是對(duì)定子線棒試驗(yàn)，定子線棒電容量為pF級(jí)，直接使用高電壓等級(jí)試驗(yàn)變壓器即可，不需要使用串聯(lián)諧振。經(jīng)與發(fā)電機(jī)廠家協(xié)商決定，下層線圈整體、上下層線圈整體、定子完成后（分相）、發(fā)電機(jī)裝配后（分相）工頻耐壓值分別為55kV、55kV、40.5kV和40.5kV，由于定子完成后與發(fā)電機(jī)裝配后耐壓值相同，合并為同一列計(jì)算。假設(shè)試驗(yàn)回路等效電阻為R=150Ω 時(shí)，試算結(jié)果見表1。

表1 混聯(lián)法諧振耐壓試驗(yàn)試算結(jié)果

現(xiàn)有一套試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)如下：試驗(yàn)變壓器額定容量為100kV·A，額定電壓為6.66kV，額定電流為15.2A，短路阻抗為7.86%，負(fù)載損耗為5kW，計(jì)算試驗(yàn)變壓器Γ形等效電路電阻為22.2Ω，電感為0.11H；可調(diào)電抗器額定容量為300kV·A，額定電壓為50kV（可短時(shí)過載到55kV），額定電流為6A，電阻為57.4Ω，電抗器電感量可調(diào)區(qū)間為16～100H。若計(jì)入試驗(yàn)變壓器和電抗器的電阻，假設(shè)試品等效電阻為100Ω，復(fù)核結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)復(fù)核結(jié)果

由表2可以看出，下層線圈整體、定子完成后（分相）階段均可以使用此法進(jìn)行試驗(yàn)。另外，定子完成后（分相）階段，也可使用傳統(tǒng)串聯(lián)諧振法，此時(shí)可調(diào)電抗器L電流為3.8A，容量約為154.6kV·A即可。受電抗器電流及容量所限，上下層整體試驗(yàn)無法使用圖3方法進(jìn)行，將圖3擴(kuò)展，即在試品端再并入一個(gè)電抗器分流，使三個(gè)電抗器數(shù)值均為33.8H，計(jì)算得到諧振電流為5.2A，容量為287.5kV·A，試驗(yàn)變壓器電壓為5.56kV，容量為28.9kV·A，滿足試驗(yàn)要求。圖4為下層線圈整體混聯(lián)法諧振耐壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 下層線圈整體進(jìn)行混聯(lián)法諧振耐壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

耐壓值為55kV時(shí)，在混聯(lián)式交流耐壓試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上增加并聯(lián)支路，不計(jì)試驗(yàn)回路中有功功率損耗，可進(jìn)行試驗(yàn)的試品最大電容量見表3，電抗器容量為本試驗(yàn)裝置的限制條件?？梢钥闯觯?dāng)試品容量變化范圍較大時(shí)，混聯(lián)式交流耐壓試驗(yàn)方法僅增減并聯(lián)電抗器支路即可，不用額外配置試驗(yàn)變壓器，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的靈活性較好。

表3 可進(jìn)行試驗(yàn)的試品最大電容量

4 結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

1）調(diào)感法串聯(lián)諧振試驗(yàn)適合機(jī)型單一，電容量變化不大的場(chǎng)合。如果僅針對(duì)某一機(jī)型，且只有一種電容量，可以把可調(diào)電抗器更換為固定電抗器以減小體積和質(zhì)量。

2）調(diào)頻法串聯(lián)諧振試驗(yàn)也適合電容量變化不大的場(chǎng)合。僅針對(duì)某一機(jī)型，且只有一種電容量時(shí)試驗(yàn)設(shè)備體積比較小。調(diào)頻法試驗(yàn)時(shí)諧波對(duì)試品可能會(huì)有傷害，且頻率差異時(shí)，僅適用于預(yù)防性試驗(yàn)，制造、安裝、交接時(shí)并不適合。

3）混聯(lián)式諧振耐壓試驗(yàn)適合機(jī)型多、電容量變化大的場(chǎng)合。相比調(diào)頻法試驗(yàn)，混聯(lián)式試驗(yàn)工頻工作，沒有諧波危害；相比調(diào)感法，混聯(lián)式試驗(yàn)用較少設(shè)備實(shí)現(xiàn)更大試品電容量范圍試驗(yàn)，裝置通用性較強(qiáng)。

隨著大型汽輪發(fā)電機(jī)容量越來越大，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法要求不斷增大試驗(yàn)變壓器和電抗器的容量，試驗(yàn)設(shè)備體積和質(zhì)量迅速變大，造成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)困難，運(yùn)輸成本迅速增大?；炻?lián)式交流耐壓試驗(yàn)以較小的體積和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)耐壓試驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)性更好，通用性更強(qiáng)。火力和水力發(fā)電廠相關(guān)從業(yè)人員可作為參考。