交流电动机GVPI定子绕组nA级直流泄漏电流测试研究

胡 波，梁智明，皮如贵，谢志辉，周 进，黄绍波，李 忠

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)

0 引言

整体真空压力浸渍绝缘工艺以其整体性好、耐环境污染性能优良、温升低、能耗和成本低等优点已广泛用于各型交流电动机［1］。而大中型交流发电机受成本、工艺、设备等条件所限，普遍采用成型线棒或线圈嵌线的工艺。

与各型交流发电机相比，业内对各型交流电动机定子绕组绝缘考核比较简单，例如在 GB/T 13957—2008《大型三相异步电动机基本系列技术条件》中，定子绕组绝缘的检查项目包括绝缘电阻、匝间冲击和交流耐压试验。而非GVPI型发电机定子绕组绝缘考核更加严格，如GB/T 7894—2009《水轮发电机基本技术条件》增加了直流耐压试验和整机电晕试验，GB/T 7064—2008《隐极同步发电机技术要求》也增加了直流耐压试验和整机电晕试验。

因为交直流电压在绕组端部的分布差异，一般认为［2］:对于绕组端部非贯穿性缺陷或裂纹、表面脏污、吸潮、内部空隙、树脂固化不良等，直流试验比交流试验更加灵敏。同时直流可控过电压试验具有设备小、绝缘损伤低、击穿瞬间的过电压冲击小、缺陷模态清晰等优点，因此直流试验通常作为交流试验的预防性试验进行。

与非GVPI型发电机相比，GVPI型电机未采用可控过电压直流试验项目的主要因素就在于其泄漏电流很小(在预极化电压下接近nA级)，而非GVPI型发电机的泄漏电流通常高于μA级，因此微电流测试对在制造厂和安装工地的实际条件下的测试线路、测试环境、测试设备、测试人员和测试标准等均提出了很高的要求，其测试结果具有较大的不确定性。

本文定量分析了GVPI交流电动机定子绕组绝缘的纳安级直流泄漏电流的电流分量，首次建立了nA级测试电流的全电流分量的数值计算模型，在真机定子绕组的电流分量测试结果基础上，提出了考核GVPI电动机定子绕组直流泄漏试验的建议，有助于严格考核定子绕组端部绝缘的质量。

1 理论模型

1.1 直流试验的电流分量

直流试验时测试电流包含四种电流分量［3～4］:表面泄漏电流、几何电容充电电流、绝缘内部电导电流和吸收极化电流。其中几何电容充电电流通常不影响测试，因为在1 min读数时已经衰减至可以忽略。对于粘接良好的环氧云母体系绝缘来说，绝缘内部电导电流几乎为零。表面泄漏电流基本不随时间延长而变化。吸收极化电流Ia与时间的关系如式(1)所示［5］。Ia为吸收极化电流，U为外施电压，k和n为绝缘系统的特征参数，t为施压时间。

因此，直流试验中总测试电流I可以简化为吸收电流Ia与泄漏电流Il之和，前者随电压与时间变化，后者只与电压有关。

1.2 恒定直流电压阶段的电流分量

在进行可控直流高压试验前，定子绕组应按照IEEE 95的规定进行恒定直流电压试验，即预极化试验，试验电压与时间通常与IEEE 43(idt GB/T 20160—2006)规定的定子绕组极化指数测试要求相同。其目的不仅在于测量并判断绕组是否具备进行高压试验的条件，还要测试并画出定子绕组绝缘在恒定电压下的电流与时间曲线，进而拟合计算得到该绝缘系统在该电压下的特征参数。

假设施加电压不变，则t时刻的电流与(t+Δt)时刻的电流如式(2)所示，同时不同时刻的泄漏电流IL相等。

两边取对数可得式(3):

假设忽略泄漏电流Il，则式(4)成立。

显然地，n的数值可由式(5)求解。

以上求解过程不仅可以得到n值，还可知泄漏电流分量是影响总电流与加压时间的双对数曲线lgI～lgt直线斜率的线性拟合度R2的重要因素。因此，根据lgI～lgt直线的拐点可以划分泄漏电流分量的影响范围，并在其影响较小的区域(即拐点p左侧)拟合直线，如图1所示。根据测试数据进行线性拟合即可得到k和n值。

1.3 阶梯升压方式下各电压阶段的电流

图1 泄漏电流分量对lgI～lgt曲线的影响

当绕组绝缘完成预极化过程后，分阶段缓慢升压并在各电压阶段上停留一段相等的时间，读取并记录各电压阶段末的电流值。根据该过程的原理，每个阶段的总电流等于各阶段的吸收电流与泄漏电流之和，而各阶段的吸收电流由本阶段新增电压引起的吸收电流与前面所有阶段各自衰减至该时间的残余电流的叠加值，如图2所示。

图2 前两个电压阶梯的吸收电流分量叠加

图2中，Ia1为第一阶段(预极化阶段)由外施电压U1引起的t1时刻的吸收电流，而第一阶段的总吸收电流即为Ia1。Ia2为第二阶段由相邻电压阶梯增量ΔU引起的吸收电流，而第二阶段总吸收电流应包括经过Δt衰减的Ia2与经过(t1+Δt)衰减的Ia1。以此类推，第p阶段的总吸收电流应包括Δt时刻的Iap与以前各电压阶梯增量ΔU引起的残余衰减电流的总和。

假设定子绕组绝缘均匀、恒温且绕组电容量基本不变［6］，则可以认为k和n不随电压与时间而变化，各阶段电压下由电压增量引起的吸收电流可由式(6)求解。

由式(6)可知，当任一相邻电压阶梯的电压增量相等时，则由电压增量引起的吸收电流也相等。据前文分析可知，各阶段电压下总吸收电流可由式(7)求解。

因此，各电压阶梯下测试得到的总电流与根据式(7)计算得到的各阶梯下对应的总吸收电流之差，即可得到对应各阶梯下的泄漏电流值。

1.4 吸收电流分量的趋势

根据数列极限的有理运算法则［7］，相邻电压阶梯的吸收电流分量之差与第一阶段吸收电流之比，在n值为正的条件［6］下，其极限值为0，如式(8)所示。

这说明吸收电流会随电压升高而逐渐增加但最终将趋于平稳。同时电压越高，测试电流越大，吸收电流所占比例越小，泄漏电流与测试电流的相关性越好。

2 试验

2.1 试验设备

SL60系列高压直流发生器，纹波系数低于0.1%，美国SPELLMAN高压电气设备公司。

MIT520型绝缘电阻测试仪，美国AVO国际公司。

指针式纳安电流表，法国AOIP公司。

2.2 试验线路

按照SL60设备的悬浮接地配件的接线要求连接线路。

2.3 试验过程

1)分相对定子绕组施加5 kVDC并保持10 min，测试并记录电流值。

2)从5 kV开始，以电压阶梯1.5 kV，每个电压阶梯保持1 min的升压方式，测试并记录每个电压阶梯末的电流值。

3)电压升至24.5 kV并保持1 min，然后降压至0。

2.4 试验样品

额定电压为10 kV的三相交流异步电动机，采用GVPI绝缘工艺制造。

3 结果分析

3.1 恒定直流电压阶段的电流分析

图3 三相绕组在5 kVDC下的I～t时间曲线

图4 三相绕组lgI～lgt双对数曲线的拐点

由图3可知，三相绕组在5 kVDC下的I～t曲线非常相近且基本表现为幂函数的形式。同时由图4可知，三相绕组lgI～lgt双对数曲线均接近于直线，基本满足式(1)的形式，特别是拐点的左侧曲线，其线性拟合度R2近似于1，适合于准确拟合并求解幂函数的k和n值。

根据图4拟合曲线可以测试并计算得到第一电压阶段的各项参数，如表1所示。三相绕组的各项参数均非常接近，其中n值均符合环氧绝缘体系1.0 ～1.9的推荐范围［8］。

表1 恒定电压阶段的电流分量数值

3.2 阶梯升压阶段的电流分析

分析图5～图7所示三相绕组绝缘电流分量特性可知:

图5 U相绕组阶梯升压过程中的I～U曲线

图6 V相绕组阶梯升压过程中的I～U曲线

图7 W相绕组阶梯升压过程中的I～U曲线

1)总电流与泄漏电流相关性较好，具有基本一致的I～U趋势，在高电压区域该趋势更加明显。这说明在工程应用中可使用I～U曲线代替Il～U曲线进行数值考核与结果分析，进而极大地简化该试验中数据处理与分析的工作量。

2)吸收电流随电压升高而增加，具有趋于平稳的趋势。这与前文的数列极限估算一致。

3)三相绕组的I～U曲线与Il～U曲线均基本一致，考虑到三相绕组之间电流特征的差异与温度和湿度等无关，而只与绝缘结构和绝缘状况有关，因此，三相绕组I～U曲线的差异可以作为一项重要的考核指标。

4)I～U曲线接近一条直线，这意味着绝缘系统比较符合纯阻容元件的伏安特性，无附加极化电流分量的存在，即绝缘内部无分层、浸渍不良、固化不彻底、老化、端部放电等现象。因此，相邻电压点下的电流比值也可以作为一项重要的考核指标。

4 考核建议

1)记录并绘制I～U曲线，并据此进行数据分析与结果判断。

2)三相绕组I～U曲线的差异可以作为一项重要的考核指标。

3)每相绕组I～U曲线中相邻电压点下的电流比值(或I～U曲线的斜率)可以作为一项重要的考核指标。

5 结语

1)首次建立了nA级测试电流的全电流分量的数值计算模型，搭建了适用于nA级直流泄漏电流的测试系统。

2)三相绕组在5kVDC下的I～t曲线非常相近且基本表现为幂函数的形式。

3)Il为I的主要成分，I与Il相关性较好且具有基本一致的趋势。

4)建议将I～U曲线作为考核试验结果的依据。

［1］顾家华.电机绕组真空连续浸渍绝缘工艺简析［J］.微特电机，2005，30(5):35 ～38.

［2］成永红.电力设备绝缘检测与诊断［M］.中国电力出版社，2001，106 ～117.

［3］GB/T 20160-2006，旋转电机绝缘电阻测试［S］.

［4］Greg C.Stone.旋转电机的绝缘-设计评估老化试验修理［M］.中国电力出版社，2011，193～200.

［5］李绍儒.大容量发电机直流泄漏试验的外推法［J］.电力建设，1986，(12):70 ～73.

［6］IEEE std 95-2002，IEEE Recommended Practice for Insulation Testing of AC Electric Machinery(2300V and above)With High Direct Voltage［S］.

［7］西安交通大学高等数学教研室.高等数学(上册)［M］.人民教育出版社，1979，26 ～37.

［8］McDermid.W.Dielectric absorption characteristics of generator stator insulation.Conference record of the 2000 IEEE international symposium on electrical insulation，Apr.2000，pp516～519.