地下廠房環境對盤柜絕緣子絕緣性能的影響及對策研究

陳強，金垚

（調峰調頻發電公司惠州蓄能水電廠，廣東惠州516100）

地下廠房環境對盤柜絕緣子絕緣性能的影響及對策研究

陳強，金垚

（調峰調頻發電公司惠州蓄能水電廠，廣東惠州516100）

地下廠房的特殊環境會對絕緣子的絕緣性能產生影響，影響絕緣子的因素主要為溫度和濕度，而地下廠房空氣流動性較差，設備表面的潮氣容易聚集，加劇了絕緣的惡化。惠蓄電廠勵磁盤柜之前使用的絕緣子為云母絕緣子，其絕緣水平受濕度影響較大,已嚴重影響了機組檢修后的恢復和安全穩定運行，本文深入分析影響設備絕緣性能的因素和舊型號絕緣子成分，提出了新型號絕緣子選型要求，并對選定的DMC材料絕緣子進行了耐熱性能試驗、著火危險性能試驗、介電性能試驗和短路耐受強度驗證，檢驗結論均合格，為惠蓄電廠絕緣子換型提供了理論和數據支持。對其他地下廠房電廠的絕緣子選型和換型具有借鑒和參考意義。

地下廠房；絕緣子；換型；絕緣性能

0 前言

惠蓄電廠廠房為地下廠房，地下廠房的特殊環境會對絕緣子的絕緣性能產生影響，影響絕緣子的因素主要為溫度和濕度，而地下廠房空氣流動性較差，設備表面的潮氣容易聚集，加劇了絕緣的惡化。

惠蓄電廠勵磁盤柜的舊型號絕緣子為云母絕緣子，實際運行表明，其在機組檢修后容易受潮，導致測量出的轉子絕緣電阻不合格，影響機組檢修后的恢復，同時，在惠蓄電廠7號機組已發現舊型絕緣子整體老化現象，嚴重影響了機組的安全穩定運行。因此，對勵磁盤柜絕緣子換型迫在眉睫，本文深入分析了舊型絕緣子成分，結合地下廠房環境，提出了新型絕緣子選型要求，最終決定采用DMC材料的絕緣子，并對新型絕緣子進行了耐熱性能試驗、著火危險性能試驗、介電性能試驗和短路耐受強度驗證，測試結果均合格，為絕緣子換型提供了數據支持。

新型絕緣子更換后運行近一年的結果表明，本次新型絕緣子選型和實施成功解決了惠蓄電廠勵磁盤柜絕緣子性能對機組轉子絕緣電阻的影響。

1 地下廠房的環境特點

惠州蓄能水電廠的廠房為地下廠房，地下廠房較地上廠房在空氣環境上有其特殊性，主要表現為：1.1地下廠房濕度大

引起地下廠房潮濕的因素可以歸納為以下兩點：①貼壁襯砌層的防水處理未解決好，地下水通過襯砌層不密實處、施工縫、襯砌的裂縫、伸縮沉降縫等滲漏到室內；②進入室內的熱濕空氣引起襯砌表面結露或增加空氣的相對濕度，在水蒸汽密度差的作用下使水分向壁面遷移吸濕，或通過砌體表面使水分散發到室內，一般在潮濕季節和時段吸濕和蓄濕，在干燥季節和時段放濕，吸放濕量與襯砌材料、內部空氣溫濕度、氣流速度等因素有關[1]。廣東省屬熱帶和亞熱帶季風氣候區，春季和夏季雨水較多，空氣濕度較大，經過實際測量，地下廠房的空氣濕度可達到90%以上。

1.2 地下廠房通風條件較差

惠蓄電廠的通風空調系統包括主廠房、副廠房兩個工作區域，主廠房(對于A廠而言)氣流由4號支洞（連接進廠交通洞）引入全新風（13.5萬m3/h），一部分通過布置在4號支洞的風量為12萬m3/h的AHU－Z3A、Z4A空氣處理機送入主廠房上游側和安裝間側垂直通風道中，再分別從橫向和縱向送入主廠房各層內；另一部分新風（1.5萬m3/h）通過安裝間側墻內風管上至發電機層天花內橫穿發電機層至副廠房的AHU－Z1A、Z2A空氣處理機內，然后由上游側主、副廠房間的垂直送風管送至主廠房各層，集中排至副廠房拱頂高程的回/排風道，設置1臺風量為14.5萬m3/h的回排風機接力，再利用安裝于排風洞出口戶外風樓的3臺F-A-1、F-A-2、F-A-3排風機排出戶外。

2 影響設備絕緣的因素

溫度和濕度是影響設備絕緣的主要兩個因素，溫度對絕緣電阻的影響很大,一般絕緣電阻是隨溫度的上升而減小的。原因在于當溫度升高后，絕緣介質中的極化加劇，電導增加，致使絕緣電阻值降低，并與溫度的變化程度、絕緣材料的性質和結構等有關。濕度的影響主要表現在絕緣表面吸附潮氣，設備表面形成水膜，常使絕緣電阻顯著降低，當空氣中相對濕度較大時會吸收較多的水分，增加了電導，也使絕緣電阻值降低[2]。而空氣流動性較差時，設備表面的潮氣容易聚集，加劇了絕緣的惡化。

3 舊型絕緣子成分分析及對絕緣的影響

惠蓄電廠勵磁盤柜之前使用的絕緣子為法國ALSTOM提供的云母絕緣子，云母絕緣子是將云母粉與玻璃粉按比例配合，經冷壓、焙燒、熱模壓、退火等工藝加工而成。

云母絕緣子的絕緣水平受濕度影響較大,導致過去幾年惠蓄電廠機組在檢修后進行轉子絕緣電阻測量時,測量值顯著低于標準要求值(轉子絕緣電阻的要求為大于0.5 MΩ)[3]，根據歷史紀錄，1～8號機組均在檢修后測出過轉子絕緣電阻不合格，僅為0.1～0.4 MΩ，經過對云母絕緣子做測試，發現這種材料的絕緣子受濕度影響較大，在干燥狀態下測量絕緣電阻能夠達到20 MΩ以上，但是放置在濕度在95%以上的環境中24h，其絕緣電阻會降低至2 MΩ以下，放置時間超過48h時，其絕緣電阻會降低至0.5MΩ以下，然后絕緣電阻會逐漸穩定。機組檢修時間一般為10～15 d，在此期間，勵磁系統處于定檢狀態，盤柜門處于打開狀態，地下廠房濕度較大，因此勵磁絕緣子會充分受潮，導致測量轉子絕緣電阻不合格。在分析出轉子絕緣低的原因后，便需要在檢修結束后對轉子絕緣子進行處理，之前的處理方法為用電吹風干燥各個絕緣子，干燥完成后再進行轉子絕緣電阻測量，這時測量數據是符合標準要求的，但是勵磁絕緣子數量較多，且安裝位置分布廣，用電吹風處理起來不僅耗費大量時間，且容易誤將盤柜絕緣子附近的電纜烤傷，存在引起勵磁系統無法正常工作的嚴重風險。

云母絕緣子引起的另外一個后果是導致7號機勵磁絕緣自2014年6月15日起，在開機過程中多次出現絕緣低報警（報警定值：4 000 Ω），開機完成后報警會消失。后來在7號機停機2 d后進行了第一次檢查，轉子一點接地測量裝置測量轉子絕緣約為6 000 Ω，搖表電壓500 V加壓，只能加到20 V。后用電吹風加熱絕緣子，電壓很快能加到80 V。當時判斷為絕緣子受潮嚴重，因開機計劃較多，沒有繼續處理。后又在7號機停機1 d后進行了第二次檢查，搖表電壓500 V，能加到200 V，用電吹風加熱絕緣子，電壓能加到300多V，但是無法靠加熱絕緣子將電壓升到400 V以上。并且一旦停止加熱，絕緣電壓會很快回落。將回路上所有絕緣子拆除，電壓能加到500 V，每回裝兩個絕緣子，電壓會下降30～60 V，當所有絕緣子回裝后，電壓又只能加到200 V左右。基于上述現象判斷絕緣子整體情況老化，并非個別絕緣子問題。

4 新型絕緣子選型分析

由于，云母絕緣子已嚴重影響了機組檢修后的恢復和安全穩定運行，對其換型的研究和實施迫在眉睫。根據地下廠房的環境特點以及絕緣子安裝處的特點，新型絕緣子需要重點考慮如下幾個方面：

（1）考慮到地下廠房的濕度大，通風差的特點，為保證機組檢修后不影響轉子絕緣電阻，新型絕緣子的耐水性要強；

（2）勵磁盤柜絕緣子安裝處溫度變化大，勵磁銅排存在熱脹冷縮，絕緣子需要具備一定的拉伸強度，同時耐熱性能要強，不易燃燒；

（3）絕緣子為支撐絕緣子，絕緣子兩端需要有螺絲孔以安裝螺栓，故必須具有一定的機械強度；

（4）新型絕緣子的電性能和絕緣性能要好，勵磁額定電壓為295 V，故新型絕緣子的額定絕緣電壓要高于此電壓。

（5）考慮到水電機組大修周期一般在10年以上，因此新型絕緣子的耐老化性要好，其在室內使用壽命應在15～20年及以上。

綜合對比了陶瓷絕緣子、玻璃絕緣子和DMC材料絕緣子等絕緣子的特性，最終絕緣材料選用電氣與機械性能優良的DMC材料。DMC材料全稱為不飽和聚脂玻璃纖維增強團狀模塑料,其玻璃纖維長度為8～13 mm,適用于模塑結構件、鑲嵌件,具有機械強度高、電氣性能優良、收縮率低、阻燃、耐電弧、高耐電起痕性、憎水性強、耐熱等特性,制品可在155℃情況下長期使用[4]。

5 新型絕緣子測試

最終惠蓄電廠勵磁絕緣子選定為7120型和7105型絕緣子（勵磁盤柜存在兩種尺寸的絕緣子），其主要技術數據為：額定絕緣電壓為660 V，額定短時耐受電流為50 kA；絕緣件之間的最大間距為400 mm；絕緣材料名稱為DMC；過電壓類別為IV；污染等級為3；材料組別為IIIa。對其進行了耐熱性能試驗、著火危險性能試驗、介電性能試驗和短路耐受強度驗證[5]，檢驗結論均合格。具體數據如下：

5.1 耐熱性能試驗

（1）試驗情況：

1）將試品放置在125℃試驗箱內。

2）對試品垂直施加20 N的力，并保持1 h。

3）試驗后，移去鋼球在10 s內將試驗樣品浸入溫度為20℃的水中保持6 min，然后從水中取出試驗樣品，并去除所有水分，從水中取出后3 min內測得壓痕直徑。

（2）試驗數據

環境溫度：15℃，相對濕度：52%。

表1 耐熱性能試驗

試驗結論：合格。

5.2 著火危險性能試驗

（1）試驗情況

預處理：試驗開始之前，將試驗樣品和鋪底層在溫度：20℃、相對濕度：54%的大氣環境下放置24 h。

（2）試驗數據

試驗持續時間30 s。

表2 著火危險性能試驗

試驗結論：合格。

5.3 介電性能試驗

5.3.1 工頻耐壓試驗

（1）試驗數據

環境溫度：20℃，相對濕度：54%，大氣壓：101.4 kPa。

表3 工頻耐壓試驗

試驗結論：合格。

5.3.2 沖擊耐受電壓

（1）試驗數據

環境溫度：15℃，相對濕度：52%，海拔高度：5 m，大氣壓：101.4 kPa。

表4 沖擊耐受電壓

（2）試驗波形

圖1 正極性沖擊耐壓波形

圖2 負極性沖擊耐壓波形

試驗結論：合格。

5.4 短路耐受強度驗證

（1）試驗要求（表5）

表5 短路耐受強度試驗要求

（2）實測參數（表6）

表6 短路耐受強度

圖3 母排絕緣件安裝示意圖

圖4 預期電流示波圖

圖5 試驗示波圖

（3）試驗結果及試后檢驗

1）絕緣支持件無明顯損傷痕跡；

2）所有連接部件的緊固件無松動；

3）檢測器件未指示出有故障電流發生；

4）短路耐受強度試驗后介電性能試驗數據正常。

試驗結論：合格。

6 絕緣子換型的實施情況

完成絕緣選型后，編寫了勵磁絕緣子更換方案并結合機組檢修逐臺機進行更換，具體實施情況為：2014年7月對惠蓄電廠7號勵磁盤柜的絕緣子進行了部分更換，經過3個月時間的試用期，對7號機勵磁盤柜更換的新型絕緣子進行了外觀檢查和絕緣電阻測量，外觀檢查無開裂，連接部件的緊固件無松動，絕緣電阻測量值為350MΩ（試驗電壓1000VDC）。然后在2014年11月～2015年4月，結合機組小修完成全部8臺機組的勵磁絕緣子更換工作，經過1年多時間的運行，新型勵磁絕緣子運行穩定，無異常現象發生。

7 結束語

本文基于惠蓄電廠勵磁盤柜舊型號絕緣子對機組檢修后轉子絕緣電阻測量的影響以及對在運行機組帶來的安全風險,結合絕緣子所處地下廠房的環境特點，深入分析影響設備絕緣性能的因素和舊型號絕緣子成分，提出了新型號絕緣子選型要求，并對選定的DMC材料絕緣子進行了耐熱性能試驗、著火危險性能試驗、介電性能試驗和短路耐受強度驗證，檢驗結論均合格，為惠蓄電廠絕緣子換型提供了理論和數據支持。結合機組檢修對1～8號機組進行了絕緣子更換，經過近1年的運行實踐，表明本次絕緣子換型成功解決了絕緣子影響機組檢修恢復和安全穩定運行的問題，對保障機組安全穩定運行起到了積極作用，對其他地下廠房電廠的絕緣子選型和換型具有借鑒和參考意義。

[1]張華玲.水電站地下廠房熱濕環境研究[D].重慶:重慶大學, 2007:21-22.

[2]劉日升.影響電氣設備絕緣電阻的因素[J].吉林水利,2012（9）:61-62.

[3]中國南方電網有限責任公司.Q/CSG114002-2011電力設備預防性試驗規程[Z].

[4]林睿，黃旭丹.大型發電廠封閉母線DMC絕緣子的應用[J].吉林電力,2010（6）:36-38.

[5]JB/T10316-2013低壓成套開關設備和控制設備絕緣支撐部件和絕緣材料[S].

TM216

B

1672-5387（2017）04-0069-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.021

2017-02-17

陳強（1984-），男，工程師，從事發電機檢修和電氣試驗工作。