在役近海雙饋風力發(fā)電機組發(fā)電機絕緣檢測及判定

CCSC南京分公司 紀寧毅 許春梅 顧 星 錢 聰

目前對于在役風力發(fā)電機組發(fā)電機檢測，普遍采用檢測其定子和轉(zhuǎn)子冷態(tài)下的對地絕緣電阻，但因尚無標準規(guī)定冷態(tài)絕緣阻值，故測得的數(shù)據(jù)無法予以判定合格與否。對于在役近海和海上風力發(fā)電機組進行發(fā)電機絕緣測試時，應(yīng)考慮到測試條件如溫度、濕度，測試儀器選用，測試數(shù)據(jù)應(yīng)包含吸收比和極化指數(shù)，并做出合格判定。

實測情況

近海和海上風力發(fā)電機組長期工作于潮濕和鹽霧環(huán)境，發(fā)電機繞組容易受潮和污染，其絕緣電阻易呈現(xiàn)下降狀態(tài)，長期下去將會造成絕緣擊穿致使發(fā)電機燒損；這不但會對業(yè)主廠家造成非常大的經(jīng)濟損失，甚者更會造成電網(wǎng)運營故障，后果不堪設(shè)想。如何及時、有效地對發(fā)電機進行檢測將成為風機運維期的一項重要工作。

我們對位于近海已運行3年的22臺2MW雙饋機組進行發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子對地絕緣測試，發(fā)電機絕緣等級H，使用儀器為PC27-1型數(shù)字式絕緣電阻表，測試電壓500V，測試時繞組溫度介于20～40℃之間，測試結(jié)果表明其中有15臺發(fā)電機的U、V、W、K、L、M相對地絕緣數(shù)值低于10MΩ，且22臺機組的繞組對地絕緣電阻值差異很大。

絕緣性能影響因素與測試方法

對于電機來說，定、轉(zhuǎn)子導線制造質(zhì)量、主絕緣包扎質(zhì)量、防暈處理質(zhì)量、主絕緣固化成型質(zhì)量以及定子線棒制造質(zhì)量均會對繞組的絕緣性產(chǎn)生影響。繞組表面的臟污物容易產(chǎn)生泄漏電流，引起表面放點，甚至出現(xiàn)閃絡(luò)。端部繞組表面放電暈層如果有缺陷，易產(chǎn)生局放或電暈而腐蝕表面防腐漆和絕緣層。繞組絕緣效應(yīng)會使絕緣層中的膠黏劑老化降解、絕緣分層、分層的氣隙導致局放。振動、熱應(yīng)力及磁場力和離心力等因素使絕緣產(chǎn)生了機械應(yīng)力，當線棒松動時，表面防護層易摩擦損壞，出現(xiàn)電暈和局放。

發(fā)電機絕緣性能降低會嚴重影響發(fā)電機的使用壽命，甚至于會導致電機燒毀。所以對在役風力發(fā)電機組的發(fā)電機定期進行絕緣測試非常必要，對測試數(shù)值進行準確的評定后，制定出后續(xù)的養(yǎng)護、維修方案則更為關(guān)鍵。

通過大量的現(xiàn)場測量經(jīng)驗以及對發(fā)電機絕緣原理的解析，作者認為正確的測量方法應(yīng)該為：選用適宜的電阻測量儀，精度等級應(yīng)大于0.2級；確認風力發(fā)電機組可以正常測量并顯示機艙環(huán)境溫度和發(fā)電機繞組溫度；待繞組溫度和機艙環(huán)境溫度均趨于穩(wěn)定且差值在2K之內(nèi)后，開始測試各相繞組對地絕緣阻值：

● 記錄測試繞組時的繞組溫度和環(huán)境溫度；

● 設(shè)定絕緣電阻直流測量電壓500V；

● 測量繞組絕緣電阻時，如各相繞組的始末端均引出，則應(yīng)分別測量各繞組對機殼的絕緣電阻，這時不參加試驗的其他繞組和埋置檢溫計等元件應(yīng)接地。如三相繞組已在電機內(nèi)部連接，僅引出3個出線端時，則測量所有連在一起的繞組對機殼的絕緣電阻，對于繞線轉(zhuǎn)子電動機應(yīng)分別測量定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。

測量時，應(yīng)在試驗電壓施加后讀取15s和60s絕緣電阻數(shù)值，并記住繞組溫度；

● 如R60/R15小于1.3則應(yīng)繼續(xù)測取1min和10min時的絕緣電阻

● 為防止被繞組在試驗時的儲存電荷電機，測量后，應(yīng)將被測繞組對地放電后再拆測量線。此處應(yīng)注意，對于在役發(fā)電機絕緣測試條件一般都為冷態(tài)。

對于給定系統(tǒng)在任意給定的時間點的絕緣電阻，隨繞組溫度呈指數(shù)規(guī)律相反變化。對于金屬和非金屬，溫度對電阻率的影響是有差異的，特別是好的絕緣體。在金屬中有大量的自由電子，較高的溫度引發(fā)熱攪動，隨著電子移動能力的減弱致使電子運動的平均自由路徑縮短，從而導致電阻率提高。而在絕緣體中，溫度的提高提供了熱能，這使得額外的電荷載體獲得釋放從而降低了電阻率。這個溫度變化影響著絕大部分的電流分量。繞組的絕緣阻值取決于繞組的溫度和施加電壓的時間。一般被試電機的熱容量足夠大，這樣在1min和10min絕緣電阻讀數(shù)之間繞組的溫度差可以忽略，除非在額定電流下干燥期間進行測量。然而，如果測試時的溫度不能控制一致，則建議絕緣電阻試驗值用公式RMC=KT×RT（RMC：校正到40℃絕緣電阻值；KT：在溫度T℃時絕緣電阻的溫度系數(shù)；RT：在溫度T℃時測量的絕緣電阻值）校正到一個統(tǒng)一的基礎(chǔ)溫度40℃。盡管校正值是近似的，但是它可以將在不同溫度下獲得的絕緣電阻值進行更有意義的比較：

● KT的近似值：

KT可以進行現(xiàn)場測量但是比較麻煩，可按溫度每提高+10K二等分法獲得溫度系數(shù)KT的近似值，應(yīng)注意這僅僅是一種近似值，而不能用于計算離40℃很遠點的絕緣電阻，否則將產(chǎn)生較大的誤差。

例如，如果測試時繞組的溫度是35℃，絕緣電阻按每提高10K二等分，則校正到40℃的KT按公式KT=（0.5）（40-T）/10計 算， 即 ：KT=0.707。

測量結(jié)果的判定

發(fā)電機考核標準中，一般只給出熱態(tài)時的絕緣電阻考核標準，并且不同種類的發(fā)電機，其考核標準有所不同。

電機繞組的絕緣電阻在熱狀態(tài)下所測得的數(shù)值應(yīng)按公式RM=U/(1000+P/100)所求得的數(shù)值。但是對于發(fā)電機熱態(tài)絕緣測試一般在實驗室才會進行，對于在役機組一般達不到檢測條件，故不做熱態(tài)檢測。

在一般的標準中，都沒有明確給出冷態(tài)時絕緣電阻的考核標準，這是因為電機繞組冷、熱態(tài)時絕緣電阻之間的關(guān)系與電機試驗時所處環(huán)境的溫度、相對濕度以及電機絕緣材料的性能、質(zhì)量、狀態(tài)等很多因素有關(guān)，所以很難給出一個準確的換算關(guān)系式，也就是說，很難根據(jù)冷態(tài)絕緣電阻的大小來推斷熱態(tài)時的絕緣電阻值是否符合要求。但就一般情況而言，溫度越高，絕緣電阻越小。才家剛先生在其一些著作中給出了如下可供參考的冷、熱態(tài)絕緣電阻換算關(guān)系:

式中RMC——冷態(tài)絕緣電阻考核值，MΩ

tL——冷態(tài)測量時的繞組溫度（一般環(huán)境溫度），℃

tR——熱態(tài)時的繞組溫度（根據(jù)使用的絕緣耐熱材料等級所規(guī)定的最低溫度），℃

U——繞組的額定電壓，V

例如，當環(huán)境溫度t=40℃，絕緣等級H（最低溫度等級150℃），U=690V，絕緣電阻RMC應(yīng)大于15MΩ。

對于大容量和吸收過程較長的變壓器、發(fā)電機、電纜等，有時R60s/R15s吸收比值尚不足以反映吸收的全過程，可采用較長時間的絕緣阻值比值，即10min(R10min)和1min(R1min)時 絕緣電阻的比值K2，稱為絕緣的極化指數(shù)，一般情況下對于F級絕緣K2≥2。

● 如1min絕 緣 電 阻 值 在5000MΩ以上，所計算的K2就沒有意義了；這種情況下，就不用K2值來衡量繞組的狀況。

● 吸收比和極化指數(shù)不需進行溫度換算。

實踐證明，吸收比（極化指數(shù)）較小，說明被測繞組有可能受潮。所以，在使用中，如果測量該數(shù)值時發(fā)現(xiàn)其較小，則應(yīng)對繞組進行烘干，并再次測量，達到標準后才能使用。應(yīng)該指出的是，有時繞組具有較明顯的缺陷（例如絕緣在高壓下?lián)舸毡戎等匀缓芎?；吸收比不能用來發(fā)現(xiàn)受潮、臟污以外的其他局部絕緣缺陷。

由上述判定準則可見，在測的22臺在役發(fā)電機，絕緣測試數(shù)值校正到40℃后低于13MΩ的均為不合格。由于這22臺電機均工作于近海工況，且批量性出此問題，故我們初步判斷為發(fā)電機繞組受潮；在發(fā)電機廠家對其進行烘干處理后再次測量，絕緣阻值均滿足要求，從而證明對發(fā)電機進行絕緣測試的重要性以及上述判定方法的準確性。

風力發(fā)電機屬于清潔能源，為國家大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)板塊；尤其是近海和海上風力發(fā)電機組，更是今后風電發(fā)展的重要范疇。但現(xiàn)階段，近海及海上風電裝機量不多，所以工程經(jīng)驗也較少；對陸上在役機組檢測的經(jīng)驗很可能不適用于海上機組。故我們應(yīng)該積累海上機組運營故障檢測的經(jīng)驗，逐一進行分析和排查，編制出適用于近海和海上工況的在役風力發(fā)電機組驗收規(guī)則，繼而保障整機的可靠運行，為風電事業(yè)做出貢獻。