大型水轮发电机定子线棒工频击穿试验方法及标准的探讨

邹祖冰，杜建国

(中国长江三峡集团公司机电工程部, 湖北 宜昌 443002 )

1 引言

随着水电机组单机容量越来越大，发电机出口电压等级越来越高，定子线棒的绝缘性能对发电机的安全稳定运行显的越来越重要。工频击穿是考核发电机定子线棒绝缘性能的一项重要试验项目。

工频击穿试验常用来评定发电机定子线棒绝缘结构是否合理、绝缘寿命状况的试验手段。在IEC标准和国家标准中，工频击穿试验作为新设计定子线棒必须进行的试验项目。在工频试验时必须确定击穿电压值和升压速率等参数，在执行IEC标准和国家标准时，击穿电压值和升压速率的描述的不够详细，具体试验时由于试验设备等原因操作起来有一定的困难。本文结合大型水轮发电机定子线棒的结构和绝缘特点，就针对水轮发电机定子线棒（电压等级为18～26 kV）在工频击穿试验过程中，对击穿电压值以及对升压速率如何确定进行探讨。

2 定子线棒结构及绝缘技术[1, 2]

线棒有槽内直线段、端部弯曲段、电接头三部分，由铜导线、主绝缘和防电晕系统组成。

铜导线由多股的绝缘铜股线组成，在直线段（槽内部分）采用合适的换位后，在端部将股线束装在一起。股线间绝缘，防止股线之间产生短路环流。线棒主绝缘采用环氧云母，表面采用防电晕半导体材料，以保证线棒场强。线棒槽内直线段外层表面涂刷低阻半导体漆，端部弯曲段表面涂刷高阻半导体漆。

线棒的绝缘试验主要有工频耐压、电晕、工频击穿试验、介损测量等，不同的制造厂和主绝缘的额定电压，试验标准不一样。特别是工频击穿试验在选择击穿电压值和升压速度也不一样。

3 工频击穿试验参数选择[3]

工频击穿试验是对定子线棒主绝缘和防电晕结构的考验，规定合理的击穿电压值和电压升压速率，是对线棒设计、制造起到良好的引导作用。同时工厂试验过程中，使得工频击穿试验具有可操作性。

3.1 击穿电压值

在水利行业标准SL 321-2005《大中型水轮发电机基本技术条件》中，对定子线棒绝缘的工频击穿电压试验要求是：定子线棒绝缘的工频击穿电压不应小于5.5倍额定线电压。

在电力行业标准DL/T 730-2000《进口水轮发电机（发电/电动机）设备技术规范》中，对定子线棒绝缘的工频击穿电压试验要求是：定子线棒绝缘的工频击穿电压一般为5.5～6.0倍额定线电压持续1min。

在国家标准GB/T 7894-2009《水轮发电机基本技术条件》中，对定子线棒绝缘的工频击穿电压试验要求是：定子线棒绝缘的工频击穿电压一般为5.5～6.0倍额定线电压。

在三峡工程左岸电站机组招标时，对定子线棒工频击穿电压规定不低于5.5UN,历时1min。各供货厂家在工厂试验中，ALSTOM水电公司提出将单根线棒工频击穿电压提高到6.5 UN,比招标文件要求高20 kV。在三峡左岸电站线棒的供货厂家实际工厂试验时，都满足招标要求的5.5 UN的要求，而且都满足6.5 UN的要求。因此在三峡右岸电站招标时，对定子线棒工频击穿电压规定不低于6.5 UN。在溪洛渡、向家坝电站招标时，对定子线棒工频击穿电压规定不低于6 UN。

行业内定子线棒击穿电压规定也有不同的看法，击穿电压不断的提高，在设计绝缘时，定子线棒绝缘厚度务必加厚，绝缘厚度对定子线棒的散热会有一定的影响，如何取得合理的绝缘厚度以及击穿电压是值得探讨的。从目前各供货厂家工厂试验来看，规定工频击穿电压不低于5.5～6.5 UN应该是合适的。

3.2 升压速度

在水利行业和电力标准中对定子线棒绝缘的工频击穿电压试验的加压速度没有描述，只有国家标准是参考IEC 60243的试验方法。在三峡电站、溪洛渡和向家坝电站水轮发电机采购时合同规定以1000 V/s加压速度。

在IEC 60243-1-1998 《绝缘材料电气试验方法》中，对定子线棒绝缘的工频击穿电压试验描述是：在快速升压试验方法中，从加压开始计时，发生击穿的时间最好在10s至20s内。升压速度可以在100 V/s、200 V/s、 500 V/s、 1000 V/s、2000 V/s、 5000 V/s等等，根据IEC 60296标准，推荐升压速度最好选择2000 V/s。如果定子线棒额定电压是23kV，击穿电压选择6 UN，则是138kV，按照IEC 60243-1-1998标准执行，发生击穿的时间在10s至20s内，这样升压速率为6.9kV/s～13.8kV/s，显然比IEC 60296标准推荐的2kV/s升压速率高很多。

在国家标准和IEC标准规定不是非常明确的情况下，在工厂试验中，如何选取升压速率，是需要在招标时应该明确的。升压速率慢，从加压到定子线棒击穿的时间相对长，定子线棒会产生热效应，该效应在定子线棒端部的防晕部位不断累积，发生热击穿的几率大，属于热击穿。升压速率快，定子线棒在快速电压升高过程中，由于端部防晕部位绝缘厚，而直线段的主绝缘相比防晕部位绝缘薄，击穿发生在定子线棒直线段的几率大，属于电击穿。在不同部件发生击穿，击穿电压值不一样，一般情况下升压速率慢的击穿电压值比升压速率快的电压值低，由此可以看出升压速率是影响击穿电压值的因素之一。

3.3 参数选择

在击穿试验中如何选择击穿电压值和电压升压速率是本文探讨的重点，从上面的分析，如果选择1kV/s的速率逐步升高，发生热击穿的概率大，击穿电压值会相应的低，建议选择击穿电压值5.5～6.0 UN，考核的部位为定子线棒端部的防晕结构。在具体试验过程中，选择 1kV/s的速率逐步升压，对试验设备，特别是试验变压器的要求非常高，在不断加压过程中，变压器磁饱和严重，变压器发热严重，因此建议低升压速率选择上可以适当提高升压速率，原则上不超过 3kV/s即可。如果选择较高的升压速率，建议选择5kV/s～10kV/s的升压速率，发生电击穿的概率大，击穿电压值会相应的高，选择击穿电压值6.0～6.5 UN，考核定子线棒主绝缘性能。

4 工频击穿试验实例

在抽取的样本中，以不同的升压速率加压，升压速率慢，击穿电压相对较低，击穿点在端部的几率大；升压速率快，击穿电压相应较高，击穿点在槽部（直线段）的几率大。通过对12根击穿线棒解剖发现，当升压速率低时，线棒端部爬电现象明显，击穿点不明显，在升压速率高时，基本上没有爬电现象，击穿点明显从该试验实例验证了之前的推论，升压速率在2kV/s～3kV/s时，击穿点在端部，击穿电压值在140 kV左右，升压速率在10kV/s时，击穿点大部分在槽部（直线段），击穿电压值在150 kV左右，槽部击穿电压值比端部击穿电压值高。因此，采用低的升压速率，发生热击穿的几率大，对防晕结构的考验概率更多些，采用高的升压速率，发生电击穿的几率大，对主绝缘的考验概率更多些。

表1 23kV定子线棒参数表

表2 击穿试验详情表

本文以目前在建水电发电机出口电压最高的23kV定子线棒为例，试验线棒参数见表1；击穿试验击穿电压值、升压速率和击穿部位详情见表2。

5 结论

本文对发电机定子线棒工频击穿试验的关键指标进行了探讨，根据理论分析和试验情况，基本结论是：①如选择低升压速率，建议选择不超过3kV/s，则击穿电压值选择5.5～6.0UN；如选择高升压速率，建议选择5kV/s～10kV/s，击则击穿电压值选择6.0～6.5UN。②本文探讨的定子线棒工频击穿试验方法及标准是针对大型水轮发电机，电压等级适应范围为18kV～26kV。

工频击穿试验是对大型水轮发电机定子线棒绝缘性能的考核的重要试验项目之一，特别是高电压等级的线棒尤为重要。工频击穿试验涉及到试验条件、线棒击穿发生机理等多方面研究，本文试验数据来源有限，只是初步的探讨，希望行业内开启进一步的深入研究。

[1]贾志东, 乐波, 张晓虹等. 发电机定子主绝缘老化特征的研究[J]. 电网技术, 2000(4):7-11.

[2]何智江. 三峡左岸电站发电机定子线棒主绝缘技术特点[J]. 大电机技术, 2003(6):1-4.

[3]满宇光, 魏巍, 吴炳晖. 三峡水轮发电机定子线圈电气性能试验[J]. 大电机技术, 2004(1):5-7.