一種大型汽輪發(fā)電機交流耐壓試驗方法

侯中峰 劉 瞻 任 民 呂尚霖 王家駒

（西安熱工研究院有限責任公司，西安 710054）

0 引言

大型汽輪發(fā)電機作為火力發(fā)電廠高壓電氣主設備之一，在電力生產中扮演了非常重要的角色，汽輪發(fā)電機的正常工作是火力發(fā)電廠安全穩(wěn)定運行的必要條件。為保證汽輪發(fā)電機正常工作，需要在制造、安裝、交接、檢修及運行等各個階段嚴格把關。交流耐壓試驗作為發(fā)電機絕緣監(jiān)測技術，是大型汽輪發(fā)電機在制造、安裝、交接、檢修及預防性試驗中必做的試驗項目。

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

隨著發(fā)電機容量越來越大，試驗設備體積迅速變大，交流耐壓試驗的實施受到一定程度的影響。為解決試驗設備體積迅速變大、質量迅速增加的問題，行業(yè)內引入變頻耐壓試驗以減小設備體積，雖符合標準規(guī)范，但并不是嚴格意義上的工頻波形，對試驗準確性有一定影響。本文從減小試驗設備體積及質量、同時嚴格遵循工頻波形角度出發(fā)，提出一種大型汽輪發(fā)電機工頻交流耐壓試驗方法，以提高發(fā)電機現(xiàn)場交流耐壓工作效率，為其他類型發(fā)電機試驗提供參考[2-11]。

1 傳統(tǒng)交流耐壓試驗方法

1.1 調感法串聯(lián)諧振交流耐壓試驗

工頻交流耐壓試驗中，被試發(fā)電機表現(xiàn)為容性阻抗，且電容量比較大，如果直接加壓，需要試驗變壓器、調壓器和電源的容量非常大，現(xiàn)場實施有一定難度，又因為體積龐大，受場地及運輸所限，導致試驗受阻，一般會通過調感法或者調頻法來獲得試驗所需的耐壓值。

傳統(tǒng)方法一般會采用調感法進行串聯(lián)諧振耐壓試驗，調節(jié)可調電抗器L，使之與試品電容量CX形成諧振，調感法發(fā)電機串聯(lián)諧振耐壓試驗電路如圖1所示。

圖1 調感法發(fā)電機串聯(lián)諧振耐壓試驗電路

發(fā)生諧振時，有

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

串聯(lián)諧振使試驗變壓器電壓降低了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：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擴大[1]。

1.2 調頻法串聯(lián)諧振交流耐壓試驗

隨著變頻電源的逐漸推廣，調頻法串聯(lián)諧振耐壓試驗方法產生，調頻法發(fā)電機串聯(lián)諧振耐壓試驗電路如圖2所示，與調感法不同的是，工頻電源變成了變頻電源。試驗電路諧振時計算方法與調感法串聯(lián)諧振類似。

圖2 調頻法發(fā)電機串聯(lián)諧振耐壓試驗電路

DL/T 1768—2017《旋轉電機預防性試驗規(guī)程》要求：在采用變頻諧振進行耐壓試驗時，試驗頻率應在45～55Hz范圍內。所以對于某一型號發(fā)電機，需要在配置時考慮頻率適用范圍，即

調頻法試驗裝置一般采用掃頻法尋找最優(yōu)諧振頻率點，此方法優(yōu)缺點與調感法中選用定值電抗器時類似，電抗器選擇方法也與之類似；另外，調頻法試驗波形中諧波對試品可能會有傷害，且頻率存在差異時，對發(fā)電機絕緣考核效果是否合適尚需在現(xiàn)場實踐中驗證。當只有一種類型發(fā)電機時，個別火力發(fā)電廠現(xiàn)場預防性試驗采用此方法。由于體積小，易搬運，現(xiàn)場工作人員更接受此種試驗方法。

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

2 混聯(lián)式交流耐壓試驗方法

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

當進行多個機型耐壓試驗，電容量波動范圍較大（0.15～1.2μF）時，本文設計一種混聯(lián)法諧振耐壓試驗方法，該方法諧振耐壓試驗如圖3所示，與圖1中調感法相比，增加一個與試品并聯(lián)的可調電抗器L1，與可調電抗器L（變壓器阻抗LT1也為感性，下面為計算簡便，假設該支路電感均集中在L，電阻R均集中在試驗變壓器）同時為試品提供電流。當電路發(fā)生諧振時，簡要計算如下。

圖3 發(fā)電機混聯(lián)法諧振耐壓試驗電路

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

可以看出品質因數(shù)增大，同時試驗變壓器及電抗器L所需要的電流減小，額外電流由可調電抗器L1承擔。上述計算均是假設試品電容量已知、電抗器為理想元件情況下所得，雖與實際工程應用有差別，但不影響耐壓試驗結果。一般情況下，現(xiàn)場試驗時為配置方便，會優(yōu)先選擇兩個電抗器數(shù)值相等或者相近，當情況不滿足時，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)法若不能滿足試驗中要求，可以再與試品并聯(lián)一個電抗器進行分流，數(shù)值大小一般與L、L1相同，在試驗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支路更換為試驗變壓器加電抗器支路，同時給試品提供能量，此方法在發(fā)電機耐壓試驗中用得相對較少，一般在電容量非常大的現(xiàn)場試驗中使用。

3 混聯(lián)式交流耐壓試驗方法應用及比較

某1 000MW汽輪發(fā)電機，額定電壓為27kV，因故障定子線棒損壞，需要對所有定子線棒重新布線，從線棒到現(xiàn)場到發(fā)電機整體交接試驗，需要進行線圈下線前、下層線圈整體、上下層線圈同試、定子完成后和發(fā)電機裝配后等五個階段耐壓試驗。線圈下線前是對定子線棒試驗，定子線棒電容量為pF級，直接使用高電壓等級試驗變壓器即可，不需要使用串聯(lián)諧振。經與發(fā)電機廠家協(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)電機裝配后耐壓值相同，合并為同一列計算。假設試驗回路等效電阻為R=150Ω 時，試算結果見表1。

表1 混聯(lián)法諧振耐壓試驗試算結果

現(xiàn)有一套試驗設備參數(shù)如下：試驗變壓器額定容量為100kV·A，額定電壓為6.66kV，額定電流為15.2A，短路阻抗為7.86%，負載損耗為5kW，計算試驗變壓器Γ形等效電路電阻為22.2Ω，電感為0.11H；可調電抗器額定容量為300kV·A，額定電壓為50kV（可短時過載到55kV），額定電流為6A，電阻為57.4Ω，電抗器電感量可調區(qū)間為16～100H。若計入試驗變壓器和電抗器的電阻，假設試品等效電阻為100Ω，復核結果見表2。

表2 試驗設備參數(shù)復核結果

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行試驗。另外，定子完成后（分相）階段，也可使用傳統(tǒng)串聯(lián)諧振法，此時可調電抗器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，上下層整體試驗無法使用圖3方法進行，將圖3擴展，即在試品端再并入一個電抗器分流，使三個電抗器數(shù)值均為33.8H，計算得到諧振電流為5.2A，容量為287.5kV·A，試驗變壓器電壓為5.56kV，容量為28.9kV·A，滿足試驗要求。圖4為下層線圈整體混聯(lián)法諧振耐壓試驗現(xiàn)場。

圖4 下層線圈整體進行混聯(lián)法諧振耐壓試驗現(xiàn)場

耐壓值為55kV時，在混聯(lián)式交流耐壓試驗方法的基礎上增加并聯(lián)支路，不計試驗回路中有功功率損耗，可進行試驗的試品最大電容量見表3，電抗器容量為本試驗裝置的限制條件。可以看出，當試品容量變化范圍較大時，混聯(lián)式交流耐壓試驗方法僅增減并聯(lián)電抗器支路即可，不用額外配置試驗變壓器，在現(xiàn)場應用中的靈活性較好。

表3 可進行試驗的試品最大電容量

4 結論

綜上所述，可得出以下結論：

1）調感法串聯(lián)諧振試驗適合機型單一，電容量變化不大的場合。如果僅針對某一機型，且只有一種電容量，可以把可調電抗器更換為固定電抗器以減小體積和質量。

2）調頻法串聯(lián)諧振試驗也適合電容量變化不大的場合。僅針對某一機型，且只有一種電容量時試驗設備體積比較小。調頻法試驗時諧波對試品可能會有傷害，且頻率差異時，僅適用于預防性試驗，制造、安裝、交接時并不適合。

3）混聯(lián)式諧振耐壓試驗適合機型多、電容量變化大的場合。相比調頻法試驗，混聯(lián)式試驗工頻工作，沒有諧波危害；相比調感法，混聯(lián)式試驗用較少設備實現(xiàn)更大試品電容量范圍試驗，裝置通用性較強。

隨著大型汽輪發(fā)電機容量越來越大，傳統(tǒng)的試驗方法要求不斷增大試驗變壓器和電抗器的容量，試驗設備體積和質量迅速變大，造成現(xiàn)場試驗困難，運輸成本迅速增大。混聯(lián)式交流耐壓試驗以較小的體積和質量實現(xiàn)耐壓試驗，經濟性更好，通用性更強。火力和水力發(fā)電廠相關從業(yè)人員可作為參考。