22kV級汽輪發電機定子整機介質損耗測試研究

任東濱，胡 波，張小俊，劉 偉

（東方電氣集團東方電機有限公司研試中心，四川 德陽 618000）

前言

介質損耗是絕緣材料的固有特性，采用相同絕緣結構、相同工藝生產的電機，應有相近似的介質損耗值，以此可判斷電機絕緣是否存在異常。現在對單根線棒介質損耗有行業標準。由于發電機定子整機介質損耗受測試設備、測試方法和測試環境以及發電機絕緣結構等的影響，目前國內外發電機行業還沒有統一的整機介質損耗標準，公開報道的試驗數據也很少。

我公司自2000年開始進行大型汽輪發電機定子整機介質損耗測試工作，積累了多種類型和容量發電機的介損測試數據，發現并解決了很多測試過程中存在的問題。

本文重點介紹大型汽輪發電機定子整機介質損耗的測試原理、測試方法、影響因素、測試數據以及數據分析，提出適合22kV級汽輪發電機定子整機介損要求。

1 介質損耗理論

1.1 介質損耗測試原理

介質損耗因數簡稱介損，是指在交流電壓下絕緣內部有功損耗和無功損耗的比值。絕緣結構確定后，介損值是一個相對穩定的電參數。測試介質損耗的傳統方法是采用高壓西林電橋。電橋的基本回路如圖1（a）所示，測試時在試品Z1上施加高電壓，調節電阻R3和電容C4使電橋平衡，即檢流計G的電流示數為0。當電橋平衡時，點B與點C的電位相等，此時各橋臂阻抗存在式（1）所示關系，經推導可計算tanδ，如式（2）所示，δ角定義如圖1（b）所示。

圖1（a）也稱為西林電橋的正接法，即在汽發定子繞組引線上施加高電壓，從定子機座上取低壓測量信號，它要求定子機座必須對地絕緣，測試單根線棒、半成品定子、中小型電機等采用此方法。當電機定子機座無法對地絕緣（如安裝好的發電機定子），必須采用反接法進行測試，從高壓側取得測量信號，測試方法復雜且有一定的危險性。

1.2 介質損耗測試新方法

為解決高壓西林電橋在測試精度、功能、安全、簡易性等方面的缺陷，近年來國內外多家公司研制開發出多款新型介損測試儀器，如 HV9003、LDSV-6、LDSV-7等設備，能夠滿足各型產品的測試要求。特別是針對定子機座接地條件下的大型汽輪發電機定子整機介質損耗的反接法測試，利用光電耦合器件在高壓線路上采集電流、相位等數據，比較參考回路和測試回路的電流數值和相位差異并計算出試品的介損值（也稱為相位比較法）。該方法的接線如圖2所示。

圖1 高壓西林電橋的原理圖

圖2 整機介質損耗的反接法測試線路

1.3 整機介質損耗的影響因素

相對于單根線棒的介損測試，整機介損測試更加復雜，容易受到更多因素的影響。

1.3.1 環境溫度

一般來說，溫度越高，絕緣內部電導電流和絕緣表面泄漏電流越大，則整機介損越大。

1.3.2 環境濕度

濕度較高時，絕緣表面可能吸附潮氣并形成一層不連續的水膜，引起介損測量值的變化，影響測試準確性。

1.3.3 電磁環境

因為整機介損采用兩電極測量系統，即整個定子暴露在環境電磁場下，無法進行有效的屏蔽，因此對試驗設備和試驗回路的抗干擾性能也提出了較高要求。

1.3.4 測試回路

測試回路，包括測試設備、電源質量、測試方法、測試流程、接線方式等均可能對測試結果造成一定的影響。

1.3.5 絕緣結構和絕緣材料

測試時繞組引線為高壓極，定子機座和鐵心為測量電極，此時槽內絕緣結構和絕緣材料對測量結果產生影響，而且繞組端部污穢情況會對測量結果產生影響。

2 整機介損測試數據

應客戶要求，公司自2000年開始使用2801高壓西林電橋、HV9003介質損耗測試儀、LDSV -6介損局放測試儀等設備測試汽發定子整機介質損耗。22kV汽輪發電機（容量600MW-700MW）整機介損測試結果見表 1～3。

2.1 幾點說明

（1）采用兩電極測量系統測試整機介損。

（2）整機介損測試以一相繞組為測試對象，所有測試數據取自升壓過程。

（3）繞組通水測試時，按相關標準進行修正。

2.2 整機介損測試結果

表1 2801電橋整機tanδ測試結果 %

表2 HV9003測試儀整機tanδ測試結果 %

2.3 升壓、降壓過程整機介損測試數據

在升壓和降壓過程中，相同電壓下介損值不同，如圖3所示。

圖3 升降壓過程整機介損測試結果

2.4 正接、反接條件下測試數據

使用不同的接線方法測試同一臺電機整機介損，結果如圖4所示。

圖4 正接、反接條件下整機介損測試結果

表3 LDSV-6測試儀整機tanδ測試結果 %

3 對整機介損測試結果的數值分析

3.1 整機介損整體趨勢

整機介損測試結果如圖5所示，隨著電壓升高，整機介損測量值逐漸增大。

圖5 22kV級汽發定子整機介損結果

3.2 在0.2Un電壓下整機介損分析

在0.2Un電壓下，整機介損最大值為2.83%，最小值為 0.79%，平均值為 1.17%。tanδ數值主要分布在0.70%～1.40%之間，在 1.5%～2.8%之間有少量分布，數據總體分布呈不對稱狀態，如圖6所示。

圖6 在0.2Un電壓下整機介損測量值分布情況

3.3 在0.6Un電壓下整機介損分析

在該試驗電壓下，整機介損最大值為 3.19%，最小值為1.40%，平均值為1.96 %。

介損測試結果分布頻數如圖7所示，數值主要分布在1.60%～ 2.40%之間。在2.5%～3.0%之間有少量分布，數據總體分布呈不對稱狀態。

圖7 在0.6Un電壓下整機介損測量值分布情況

3.4 在1.0Un電壓下整機介損分析

在1.0Un電壓下，整機介損最大值為4.20%，最小值為 1.80%，平均值為 2.85 %。數值主要分布在2.50%～4.0%之間，整機介損值分布情況如圖8所示。

圖8 在1.0Un電壓下整機介損測量值分布情況

3.5 介損增量Δtanδ分布范圍

用 Δtanδ1代表 tanδ0.6Un與 tanδ0.2Un的差值，Δtanδ1分布情況如下：最大值為1.20%，最小值為0.28%，平均值為0.74 %。Δtanδ1分布情況如圖9所示。

用 Δtanδ2代表 tanδ1.0Un與 tanδ0.6Un的差值，其分布情況如下：最大值為2.0%，最小值為0.30%，平均值為0.99%。Δtanδ2分布情況如圖10所示。

總體而言，在高中物理解題思維訓練中，教師要善于引導通過解題來鍛煉多種思維技能，多歸納、多總結，針對不同題型來尋找更合適的解題思維，強化解題能力.另外，物理題在解題方法上，我們同學們要在平時加以訓練，突出解題思維的啟發，掌握更多解題技巧.

4 對整機介損測試結果的幾點分析

由圖6～8可知，介損測量值有一個相對集中的區域與一個偶然分布區域。這是因為現場試驗時，整機介損測試采用二電極系統，定子放置在定子總裝現場，周圍有天車、車床、焊機等電器設備，電磁干擾很大，而且無法進行有效屏蔽。各種干擾信號疊加在測量信號上，影響測試結果的準確性。特別是在較低試驗電壓下，測量信號較小，受到影響更大。

圖9 整機介損增量Δtanδ1分布情況

圖10 整機介損增量Δtanδ2分布情況

對于同一臺電機來說，不同接線方式的測試結果也會不同，一般來說正接法測試結果要大于反接法測試結果。這是因為正接法從低壓側取得信號，信號強度較小，用同軸屏蔽電纜傳輸至設備，易于被干擾；而反接法從高壓側取得信號，信號強度較大，轉換成光信號后用光纖傳輸至設備，光信號不易被干擾。因此，當測試條件許可時，應盡量采用反接方式，從高壓側取信號，用光纜傳輸至測試設備。

定子整機介損在升、降壓過程中得到的數值也有一定差異。在升壓過程中，當外施電壓超過繞組絕緣起始放電電壓（PDIV）時，發生局部放電并產生有功損耗，引起整機介損的增加。在降壓過程中，當外施電壓低于繞組絕緣起始熄滅電壓（PDEV）時，局部放電消失，引起整機介損的降低。一般來說，PDIV大于PDEV。因此，降壓過程的介損數值大于升壓過程的介損數值。22kV級繞組的局部放電（PD）實測值如圖11所示。

綜上所述，對于22kV汽輪發電機定子整機介質損耗（絕緣結構為多膠模壓線棒且定子槽內半導體墊條），通常的實測數據范圍如式（3）所示。

測試時注意事項：

測量整機介損，應特別注意降低環境干擾，盡量避免大型電器設備干擾。建議選擇晚上或節假日進行整機介損測試。

圖11 22kV級繞組的PD實測值

對于采用諧振變壓器的高壓設備，測試前應帶負載先施加1次高壓，該電壓應不低于最高測試電壓，以便于設備調諧；同時該過程也相當于對試品做1次交流耐壓預防性試驗，避免發生安全事故。

測試時，環境濕度應不大于60% ，盡量避免在陰雨天氣進行試驗。

5 結束語

IEC、IEEE等國際標準雖然規定了定子整機介質損耗的推薦方法，但是并未規定整機介質損耗的考核標準。本文通過對多臺22kV級汽輪發電機分相定子整機的介損測試數據的整理和分析，找出了整機介損的分布范圍和分布特點，為下一步制訂整機介損標準打下了基礎。同時有利于滿足眾多涉外項目的技術要求，對國內發電設備制造行業的發展具有一定的積極意義。

[1]IEC 60894-1987，Guide for Test Procedure for the Measurement of Loss Tangent of Coils and Bars for Machine Windings[S].

[2]IEEE Std 286-2000, IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation[S].