700 MW 水內冷發電機絕緣測量常見問題及解決方法

劉國建，徐長福，張小永

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發電機定子絕緣電阻是判斷發電機絕緣狀況，保證機組安全穩定運行的重要依據[1]。絕緣電阻是加在被測試電氣設備上的直流電壓U與流過的電流I之比。對于定子繞組采用水內冷冷卻方式的發電機，其絕緣測量值可能與線棒表面的工藝處理、發電機的繞組結構、發電機的受潮程度、純水導電率大小、發電機風洞的溫濕度、發電機直連的設備的絕緣程度、測試儀（不同測試儀有不同的原理）、線圈中測溫傳感器RTD 的絕緣情況等有關[4-5]。對發電機定子繞組進行絕緣測量時，發現定子絕緣電阻測量值分散性很大，甚至會出現定子絕緣電阻測量值為零的情況，導致無法根據絕緣電阻測量值判斷發電機定子繞組真實絕緣狀況。

1 水內冷發電機定子絕緣測量原理

水內冷發電機定子絕緣電阻測量一般采用低壓屏蔽法[3]。水內冷發電機定子繞組絕緣電阻加直流電壓時，定子繞組流過一部分電流IX，純水流過另一部分電流IK，若IX、IK混合在一起，則不能準確測量定子繞組的絕緣電阻，因此必須采用低壓屏蔽法將IX、IK區分開來，試驗原理如圖1 所示。由于微安表與匯水管對地電阻相并聯，IX=I′X（1+RA/RH）；RA：微安表內阻；RH：匯水管對地絕緣電阻。

圖1 水內冷發電機定子絕緣測量原理圖

一般情況下，微安表內阻RA實際很小，當發電機定子絕緣RX良好，匯水環管對地絕緣RH良好（RH≥3 kΩ），流經匯水環管RH的電流很小，大部分的電流都經微安表回到測量儀器，這時候I′X≈IX，定子絕緣等效對地電阻RX實際上就是加在絕緣體上的直流電壓U與微安表上的泄漏電流I′X之比，即：RX=U/I′X。

測量發電機定子絕緣時還需測得吸收比K，吸收比是指60 s 與15 s 兩個時刻的定子繞組絕緣電阻值相比，即K=R60s/R15s，吸收比K是判斷發電機定子是否受潮的判據之一，吸收比K試驗適用于容量較大的電氣設備（如發電機和變壓器等），其測量原理如圖2 所示是：測量發電機定子絕緣對發電機定子進行充電，當發電機定子干燥，搖測到15 s 時，充電電流數值比較大，測量值R15s相對較小；搖測到60 s 時，發電機定子充電已基本完成，充電電流已經減小，測量值阻R60s相對較大，吸收比K數值較大，實際工作中要求吸收比K＞1.3。

圖2 絕緣正常時的吸收曲線

2 實際發電機絕緣電阻測量現場環境的不足

（1）匯水環管安裝在定子線棒下端，純水匯水環管采用一點接地方式運行，與支撐構架及風洞外純水管道通過絕緣材料隔離絕緣，在匯水環管與純水進、出風洞管道連接處，從純水進環管及純水出環管上各引一根接地線就近進行接地，如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 A 接地線與純水進環管連接

圖4 B 接地線與純水出環管連接

圖5 匯水環管引出線位置圖

在測量發電機定子絕緣時，測量人員需將匯水環管兩處接地引線與接地裝置斷開，并通過測試線接入水內冷絕緣表“屏蔽端”。存在以下問題：①測試點距離下風洞入口較遠，約30 m，人員進出及設備搬運不便；②兩處接地點反復拆裝后容易造成接地螺絲滑絲，更換滑絲的螺絲施工地狹窄，不利于更換工作；③下風洞結構較復雜，存在一定安全隱患。

（2）20 kV 電壓互感器裝設在勵磁變柜內，每相裝設有4 個PT，一次尾接地方式為：每相4 只電壓互感器一次繞組末端相互短接后引出，接地短接線引出后與其接地引下線連接，并通過勵磁柜內專用接地銅排接地。測量發電機定子絕緣時，要分別將三相內PT 一次尾接地引線與地斷開，現場工作中，由于螺栓較小，在拆裝的過程中難免會引起滑絲的情況出現，造成PT 一次尾不可靠接地，形成高壓虛電位，在機組運行中一旦有此情況發生，容易造成設備和人身傷害，如圖6 所示。

圖6 PT 接地方式完善前示意圖

3 實際工作中發電機絕緣電阻測量值不精確

若只測量發電機定子的絕緣，需將發電機出口及發電機中性點斷引，工作量較大。因此實際發電機絕緣電阻測量不僅是發電機本身的絕緣，還包含了發電機出口封閉母線、主變低壓側繞組、勵磁變繞組、PT一次側繞組、避雷器的絕緣情況，如圖7 所示[2]。

圖7 發變組主接線圖

（1）以測量定子絕緣包含電壓互感器PT 為例，定子和PT 受潮或絕緣較低時的吸收過程如圖8 所示，此時測得的電流i=iR+iPT，PT 絕緣低時，由于PT和發電機的吸收過程不同，PT 的充電電流很快可以到達穩定值，而發電機的吸收過程較長，吸收比K=R60s/R15s=i′15s/i′60s，由圖中可看出，由于PT 受潮或絕緣較低的影響，iPT會增大，i′60s和i′15s的值都偏大，但i′60s的值衰減不明顯,導致i′15s/i′60s減小，吸收比K減小，吸收比不合格。

圖8 PT 受潮或絕緣較低時的吸收曲線

（2）當PT 受潮或絕緣較低時，iPT會增大，因絕緣兆歐表此時測得的電流i′也會增大，測量電阻值R=U/i′，測量電阻值變小，測量電阻值不合格。

（3）由于發電機出口及中性點不斷引，絕緣測量值包含定子繞組、封閉母線、主變低壓側、勵磁變、廠高變、PT 一次側的絕緣情況。當專用兆歐表容量較小時，無法對測量設備完成充電，兆歐表電壓升不起來，加之充電電流也大，這樣反映到兆歐表顯示的絕緣電阻值就等于或接近于零。測得定子線圈絕緣電阻為零的現象實質上是兆歐表容量太小，當然也不能完全排除確實是絕緣電阻太低的緣故。

（4）純水電導率較高，定子繞組對純水環管的等效電阻較小，流經發電機定子的電流變少，測量儀表不能正常建壓，測量值不準確。

（5）當純水匯水環管存在接地，純水匯水環管對地絕緣電阻很小時，流經匯水環管的電流會變大，經微安表回到測量儀器的電流會減少，得到的定子絕緣等效對地電阻測量值會失真。

通過表1 可知：定子絕緣測量不合格的情況有：①絕緣吸收比不合格，原因為發電機定子及其相連接的電氣設備存在受潮情況；②測量值虛假，較正常值偏大幾倍（達到GΩ 級別），原因為匯水環管與相鄰金屬回路有搭接，匯水環管對地絕緣低；③測量值偏低，原因為發電機及相連的電氣設備存在受潮或相連的電氣設備存在支撐絕緣子對地絕緣低。

表1 實際發電機絕緣值測量不準確事件表

4 針對發電機絕緣電阻測量現場提出3 點改進

4.1 發電機匯水環管的接地點改進

改進方法：將發電機匯水環管兩根環管的兩個接地點A、B（圖9）通過電纜現地短接后，再由B 點通過一根公共絕緣電纜走電纜橋架引至下風洞入口處進行接地，便于工作人員在下風洞入口處進行發電機絕緣測量工作，以排除安全隱患，提高工作效率。

圖9 改進后的匯水環管引出線位置圖

4.2 PT 高壓繞組接地端的接線改進

改進方法：將三相PT 一次尾引至一個可靠接地點，如圖10 所示。針對勵磁變柜內發電機出口電壓互感器接地工作方式為每相電壓互感器獨立接地的情況，將每相獨立接地點拆除，通過電纜將三相接地點連接后經同一個接地點接地。

圖10 PT 接地方式完善后示意圖

4.3 更換為容量更大的專用兆歐表

定子絕緣電阻測量是連同主變和封閉母線的三相一起測，這樣就需提供更大的充電電流，可更換為容量更大的專用兆歐表。

5 測量發電機絕緣異常的排查解決方法

當發電機的絕緣測量值出現異常，按如下方法依次排查：

①測試前純水電導率較高，先降低純水的電導率；②純水匯水環管對地絕緣較低，查找絕緣低故障點時，采用直流壓降法，匯水環管對地加一個直流電流（5 A 左右），測量金屬支撐處匯水管的對地電壓，若電壓約為0 V，則可判斷該匯水管金屬支撐處為故障接地；若排查的匯水環管的疑似部位對地絕緣良好，則需查找匯水管內測溫電阻RTD 是否有短接接地情況；③測量回路有受潮時，開啟機坑加熱器、勵磁變及廠高變加熱器，烘干一段時間后再次測量；④斷開PT 一次尾電纜，然后測量定子絕緣；⑤將廠高變高壓側與發電機出口母線斷引，然后測量定子絕緣；⑥將勵磁變高壓側與發電機出口母線斷引，然后測量定子絕緣；

通過以上方法逐步排查后，測量值仍不合格，發電機內部存在真實絕緣問題，應對定子繞組仔細查找故障點。

6 結語

大型水輪機組發電機絕緣測量時，考慮到其結構和現場安裝情況復雜，工作中面臨的安全隱患較多。本文所闡述的3 點改進措施，即發電機匯水環管的接地點改造、PT 高壓繞組接地端的接線改造和更換為容量更大的專用兆歐表以及發電機的絕緣測量值出現異常的排查方法已經過現場驗證，效果良好，既簡化了工作量，又杜絕了安全隱患。