金沙水電站水輪發(fā)電機(jī)組定子線棒耐壓試驗(yàn)放電分析

蔡小林

摘要：分析了金沙水電站4號(hào)水輪機(jī)組定子線棒工頻交流耐壓試驗(yàn)放電情況，總結(jié)了定子線棒出現(xiàn)的各種絕緣問題，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)果表明：定子線棒結(jié)構(gòu)和受潮情況是導(dǎo)致線棒放電的主要原因，通過對線棒端頭進(jìn)行包裹和對線棒進(jìn)行加熱干燥可以有效緩解線棒放電現(xiàn)象，但并未完全解決線棒耐壓試驗(yàn)中的放電問題。因此，在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)定子線棒時(shí)，可以通過增加中間段主絕緣長度，或直接增加絕緣厚度等手段進(jìn)一步優(yōu)化線棒結(jié)構(gòu)以解決線棒試驗(yàn)放電問題。

關(guān)鍵詞： 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組; 定子線棒; 耐壓試驗(yàn); 金沙水電站

中圖法分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.015

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）03 - 0069 - 03

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，該河段范圍從觀音巖水電站壩址至烏東德水電站庫尾，天然河道長57 km，落差38 m，平均比降0.69‰。河段內(nèi)金沙江由西至東橫貫整個(gè)攀枝花市區(qū)，區(qū)間流域面積約13.21萬km2。電站正常蓄水位1 022.00 m，校核洪水位為1 025.30 m，相應(yīng)靜庫容為1.08億m3，電站裝機(jī)容量56萬kW，最大壩高66.0 m，多年平均發(fā)電量為21.77億kW·h。電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對觀音巖水電站的反調(diào)節(jié)作用等綜合功能。

金沙水電站定子繞組采用雙層波繞組形式，所有的線棒接頭連接采用銀銅焊，繞組絕緣為F級(jí)絕緣。定子下線施工前需要對單根線棒進(jìn)行抽檢耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中常出現(xiàn)線棒端部R彎處放電現(xiàn)象，放電嚴(yán)重的線棒，可能燒壞線棒端部的防暈層，導(dǎo)致耐壓試驗(yàn)無法通過[1-3]。本文針對金沙水電站4號(hào)水輪機(jī)組定子線棒工頻交流耐壓試驗(yàn)放電問題展開了分析。

1 發(fā)電機(jī)定子繞組參數(shù)

金沙水電站發(fā)電機(jī)定子繞組為三相4支路雙層波繞組形式。定子鐵芯高度為1 578 mm，定子鐵芯內(nèi)徑為16 350 mm，線槽寬度為20.0 mm×137.8 mm，共計(jì)936槽，定子絕緣等級(jí)為F級(jí)。按照廠家圖紙要求，線棒需放入槽底墊條（半導(dǎo)體層壓板墊條），用整張低阻半導(dǎo)體布包裹定子線棒并隨線棒嵌入槽內(nèi)， 線槽槽底、槽中及線棒上下層之間均設(shè)有測溫元件，測溫元件型號(hào)PT100，線圈測溫元件36支，鐵心測溫元件64支，齒壓板測溫元件40支，共140支。繞組端部斜邊墊塊及槽口墊塊均包有環(huán)氧適形材料。三相六支路引出采用φ50銅環(huán)至定子機(jī)座出口和中心處匯流銅環(huán)支架，匯流環(huán)共9層。

2 4號(hào)機(jī)組定子繞組試驗(yàn)

廠家將線棒發(fā)貨到現(xiàn)場后，需檢查定子線棒包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存后外包裝是否有損毀，定子線棒表面是否有損傷，同時(shí)按照要求對單根定子線棒進(jìn)行抽檢試驗(yàn)，測絕緣電阻、進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可進(jìn)行安裝工作。

2.1 4號(hào)機(jī)組定子線棒單獨(dú)耐壓試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

（1） 試驗(yàn)場地準(zhǔn)備。場地面積約20 m2，并且有可靠的接地樁，同時(shí)在試驗(yàn)場地外掛好安全標(biāo)識(shí)牌并做好安全隔離措施。

（2） 試驗(yàn)環(huán)境的溫度與濕度要求分別小于40 ℃與80%。

（3） 試驗(yàn)其他人員需分工明確以確保試驗(yàn)場所內(nèi)井然有序。

（4） 準(zhǔn)備好單根線棒的耐壓試驗(yàn)設(shè)備，放置線棒的平臺(tái)及耐壓用的電極。

2.1.2 試驗(yàn)操作過程

（1） 按要求進(jìn)行設(shè)備接線，并確保所有設(shè)備可靠接地。

（2） 將線棒直線部位包以錫箔或鋁箔作為電極（或放入模擬鐵心）。試驗(yàn)時(shí)，允許利用多股柔軟裸銅絞線纏繞于低阻層外作為電極，但纏繞應(yīng)盡可能緊密且間距不大于10 mm，電極包扎長度1 598 mm。

（3） 線棒端部導(dǎo)體連接高壓線。

（4） 試驗(yàn)原理如圖1所示。

（5） 測量線棒試驗(yàn)前絕緣電阻大于200 GΩ，滿足試驗(yàn)要求。

（6） 開始試驗(yàn)，逐步提升試驗(yàn)電壓至40 kV后，保持40 kV的電壓1 min，觀察線棒是否存在放電現(xiàn)象。

（7） 測量線棒試驗(yàn)后絕緣電阻需大于200 GΩ。

2.1.3 4號(hào)機(jī)組定子線棒放電問題

金沙水電站4號(hào)機(jī)組定子線棒單獨(dú)耐壓試驗(yàn)共抽檢96根線棒，其中6根線棒爬電現(xiàn)象明顯;部分線棒在未加壓到額定試驗(yàn)電壓40 kV時(shí)便出現(xiàn)放電現(xiàn)象，還有部分線棒在加壓到額定電壓后保壓時(shí)間不足1 min便出現(xiàn)放電現(xiàn)象，放電部位集中在線棒端部R彎處。

2.1.4 4號(hào)機(jī)組定子線棒現(xiàn)場處理方案

針對部分抽檢線棒存在放電的問題，現(xiàn)場采取了以下兩個(gè)處理措施。

（1） 將定子線棒加熱到80 ℃進(jìn)行干燥，持續(xù)12 h，以排除定子線棒因受潮導(dǎo)致絕緣性能下降的因素。使用此處理措施后，對6根不合格線棒重新進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其中4根線棒重新試驗(yàn)合格，還有2根線棒仍然不合格。

（2） 使用絕緣硅膠帶對線棒端頭進(jìn)行包裹處理，以此增加爬電距離，減緩放電現(xiàn)象的發(fā)生。使用以上處理措施后，對試驗(yàn)不合格的線棒重新進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，仍然有1根線棒耐壓試驗(yàn)不合格。

2.2 4號(hào)機(jī)定子下層線棒耐壓試驗(yàn)過程

2.2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

（1） 各試驗(yàn)設(shè)備正確連接并與定子機(jī)殼可靠接地，確保安全。

（2） 試驗(yàn)其他相關(guān)人員分工明確以確保試驗(yàn)場內(nèi)井然有序。

（3） 試驗(yàn)場外掛設(shè)安全警示牌以及隔離措施。

（4） 試驗(yàn)環(huán)境的溫度與濕度要求分別小于40 ℃與80%。

（5） 定子要求干燥徹底并清掃干凈。

（6） 確保所有測溫元件可靠接地。

2.2.2 試驗(yàn)操作過程

（1） 交流耐壓試驗(yàn)分組進(jìn)行，升壓時(shí)起始電壓不超過耐壓值的1/3，然后逐步升至試驗(yàn)電壓36 kV，歷時(shí)10～15 s，耐壓時(shí)間1 min。

（2） 耐壓試驗(yàn)時(shí)，電壓施加于繞組與機(jī)殼之間;對于此時(shí)不參與試驗(yàn)的繞組，測溫元件及鐵心等均與機(jī)殼連接并接地。

（3） 進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，測量相應(yīng)繞組的絕緣電阻。

（4） 試驗(yàn)原理如圖2所示。

2.2.3 下層線棒放電問題

在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)電壓升壓至15 kV時(shí)，定子兩根線棒下端頭發(fā)生放電現(xiàn)象。

2.2.4 現(xiàn)場處理方案

使用石棉被將整個(gè)下層線棒包裹住，并將線棒加溫至80 ℃，干燥48 h后重新進(jìn)行試驗(yàn)。使用此處理措施后，重新進(jìn)行耐壓試驗(yàn)并順利通過。

3 4號(hào)機(jī)組定子線棒放電現(xiàn)象分析

在進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，高壓作用在主絕緣上，如果主絕緣上存在絕緣發(fā)空或分層，當(dāng)電場強(qiáng)度高到使空氣擊穿，就會(huì)出現(xiàn)電火花，也就是放電現(xiàn)象[4]。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)線棒放電位置都集中在線棒端頭高阻帶，中間絕緣的部位基本上沒有放電現(xiàn)象;定子線棒結(jié)構(gòu)和受潮情況是導(dǎo)致線棒放電的主要原因，現(xiàn)場通過對線棒端頭進(jìn)行包裹和對線棒進(jìn)行加熱干燥可以有效緩解線棒放電現(xiàn)象。

4 定子線棒放電現(xiàn)象預(yù)防措施

為符合定子鐵芯槽的方形空間，線棒也設(shè)計(jì)成方形，線棒導(dǎo)體的排列截面也是長方形的，這就導(dǎo)致導(dǎo)體表面的電場分布不均勻，角部電場強(qiáng)度高，極易發(fā)生局部放電;繞組端部出槽類似套管結(jié)構(gòu)，電場強(qiáng)度較高，也容易發(fā)生電暈現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)定子線棒時(shí)，可以考慮調(diào)整優(yōu)化線棒的等電位結(jié)構(gòu)，以增加防暈長度為目的增加中間段主絕緣長度，或直接增加絕緣厚度，或更換其他絕緣材料以改變其防暈表面電阻率等。同時(shí)線棒受潮也是導(dǎo)致線棒放電的一大誘因。因此，在倉儲(chǔ)、運(yùn)輸及施工安裝中做好防潮措施，可以大大提高定子線棒耐壓試驗(yàn)合格率。

5 結(jié) 語

金沙水電站4號(hào)機(jī)組定子線棒耐壓試驗(yàn)線棒出現(xiàn)放電問題，經(jīng)過現(xiàn)場處理并對試驗(yàn)不合格線棒進(jìn)行更換，線棒單獨(dú)試驗(yàn)、上層線棒試驗(yàn)、下層線棒試驗(yàn)及定子整體耐壓試驗(yàn)全部順利完成，并按期完成了機(jī)組發(fā)電目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 王立軍，張益中，鄭剛. 高電壓等級(jí)發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣技術(shù)研究[J]. 電機(jī)技術(shù)，2020（6）：26-32.

[4] 趙貴前. 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒絕緣系統(tǒng)制造采用的局部放電防止技術(shù)與監(jiān)造[J]. 水電與抽水蓄能，2018，4（2）：90-93，89.

（編輯：江 文）

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