1 750 MW级核能发电机定子绕组直流泄漏电流测试研究

黄绍波，漆临生，梁智明，何海洋，胡 波，刘 伟

(东方电气集团东方电机有限公司， 四川德阳 618000)

1 750 MW级核能发电机定子绕组直流泄漏电流测试研究

黄绍波，漆临生，梁智明，何海洋，胡 波，刘 伟

(东方电气集团东方电机有限公司， 四川德阳 618000)

介绍了单机1 750 MW级核能发电机定子绕组绝缘的直流泄漏电流测试原理、测试方法及测试过程，并计算了定子绕组在各阶梯电压下的电流分量，对直流泄漏电流中的吸收极化电流分量进行了定量计算与分析。结果表明，定子绕组绝缘表面泄漏电流为测试电流的主要成分，绕组表面泄漏电流与总电流具有很好的一致性。

核能发电机；定子绕组；泄漏电流

0 引言

1 750 MW级核能发电机是当今世界单机容量最大的发电机组，定子绕组额定电压高达27 kV，定子绕组绝缘结构复杂，制造工艺难度大。如此大容量、高电压、设计寿命长的核能发电机组不仅对定子绕组绝缘设计和工艺技术提出了新的挑战，也对定子绕组整机绝缘试验技术提出了很高的要求。

因为交直流电压在发电机定子绕组端部绝缘内部的分布差异，一般认为[1]：对于绕组端部非贯穿性缺陷或裂纹、表面脏污、吸潮等，直流试验比交流试验更加灵敏。同时，直流试验有对绝缘损伤低、易于发现定子绕组端部绝缘局部缺陷、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。

常规大型汽轮发电机定子绕组的直流泄漏电流考核比较简单。根据JB/T 6204—2002《高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐电压试验规范》中的规定考核定子绕组端部绝缘水平，每0.5Un(Un为电机额定电压，下同)为一个电压阶段，每一阶段停留1 min，直到3.5Un电压阶梯。同时记录泄漏电流值并计算其变化值，通常要求如下[2]：a)泄漏电流不随时间的延长而增大。b)在2.5Un试验电压下，最大泄漏电流在20μA及以上时，三相绕组的泄漏电流之差不大于最小值的50%。

该发电机定子绕组端部绝缘防晕采用全防晕技术。同时定子绕组端部固定采用可调节的端部压板锥环固定结构。定子绕组制造装配要求高、端部结构复杂。因此，通过更精密的测试设备和更高的测试标准来测试定子绕组绝缘的直流泄漏电流，通过定量计算与分析定子绕组绝缘的直流泄漏电流的电流分量，有助于更加严格地考核定子绕组端部绝缘水平。

1 测试原理

1.1 直流试验下的电流分量

1.1.1 直流升压过程中的充电电流

定子绕组绝缘在施加一个直流电压下，测试得到的总电流(即充电电流)主要由四部分构成[3]：表面泄漏电流、几何电容电流、电导电流和吸收极化电流。其中几何电容电流瞬时衰减，在1 min读数时已经衰减至可以忽略，通常不影响泄漏电流测量。对于粘接良好的现代聚酯或环氧云母等绝缘体系，流经绝缘内部的体积电导电流基本为零。表面泄漏电流对于时间是相对恒定的。吸收极化电流Ia随时间缓慢衰减，主要由绝缘材料所产生的极化决定。

由绝缘的吸收极化和不均匀性等引起的吸收极化电流Ia在施加电压下是时间t的函数，吸收极化电流Ia与时间的关系如式(1)所示[3]。式中：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。

Ia=KUt-n

(1)

因此，直流试验中测试的总电流(充电电流)I可以简化为吸收极化电流Ia与泄漏电流If之和，如式(2)所示。前者随电压与时间变化，后者只与电压有关。

I=Ia+If

(2)

1.1.2 直流试验中的放电电流

对定子绕组施加直流电压一段时间后，移去定子绕组施加的直流电压，直接通过电流测试仪测量定子绕组对地电流，测得的绝缘总电流(即放电电流，与充电电流极性相反)主要由两部分构成[3]：容性放电电流和吸收放电电流。其中容性放电电流几乎瞬时衰减；吸收放电电流Ir与吸收极化电流Ia特性相同，但极性相反。在相同时刻下两者如式(3)所示。显然地，两者均随时间缓慢衰减，主要由绝缘材料所产生的极化决定。

Ia=|Ir|

(3)

(4)

1.2 直流阶梯升压下各电压阶段的电流

1.2.1 直流阶梯升压测试原理

定子绕组施加阶梯电压时，假设满足如下两个条件：

1) 每个电压阶段持续时间足够短(5 min)，以使通过绝缘的总电流在双对数坐标(lg-lg)上是一条直线[4]；

2) 对于现代热固性绝缘系统，可以认为介电吸收的斜率n和乘数因子K不随电压与时间而变化[5]。

则测得的总电流I是阶梯施加直流电压的函数，通过连续外推吸收极化电流，就可以计算每阶段的泄漏电流，如式(5)所示。

If=I-∑Ia

(5)

1.2.2 直流阶梯升压测试方法

当定子绕组绝缘在恒定直流电压下完成预极化过程后，对定子绕组分阶段缓慢升压并在各电压阶段停留相等的一段时间，读取并记录各电压阶段末的电流值，具体计算步骤如下：

1) 在每个电压阶段，分别测量30 s和5 min时的充电电流；

2) 计算6 min时相应的充电电流I；

3) 通过外推，计算前面阶段和本阶段6 min的吸收极化电流总和Ia；

4) 求取6 min时I与Ia的差值，即泄漏电流If。

(6)

式中：If1为第1阶段时间t的泄漏电流；Ia1为第1阶段时间t的吸收极化电流；K为吸收电流乘数因子；n为吸收极化电流的吸收指数，与绝缘系统相关；lgb1为第1阶段充电电流与时间双对数坐标直线的截距；-m1为第1阶段充电电流与时间双对数坐标直线的斜率。

(7)

(8)

该阶段6 min时刻的充电电流为：

(9)

(10)

因此，第一阶段的泄漏电流If1为：

(11)

同理，第p阶段6 min时充电电流Ip为：

(12)

当任一相邻电压阶梯的电压增量ΔU相等时，则由电压增量引起的吸收极化电流也相等，第p阶段6 min时的吸收极化电流为：

(13)

每个阶段的充电电流等于各阶段的吸收极化电流与泄漏电流之和，而各阶段的吸收极化电流由本阶段新增电压引起的吸收极化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[4]，如图1所示。

图1 前两个电压阶梯的吸收电流分量叠加

(14)

那么，第p阶段的泄漏电流Ifp为：

(15)

2 试验部份

2.1 测试设备

定子绕组泄漏电流测试设备包括电动兆欧表、数据采集装置、高压直流发生器、检流计等。

2.2 测试过程

定子绕组直流泄漏电流测试分为两个测试阶段，第一阶段为定子绕组三相并联极化电流测试，第二阶段为定子绕组分相阶梯升压泄漏电流测试。

2.2.1 绕组三相并联极化电流测试

将三相绕组并联，定子机座和测温元件良好接地。施加0.2Un(5.4 kV)的恒定直流电压，充电时间和放电时间均为30 min，记录测试过程中充电和放电电流随时间的变化关系。定子绕组三相并联极化试测试回路如图2所示。

图2 定子绕组三相并联极化测试回路

2.2.2 绕组阶梯升压直流泄漏电流测试

使用高压直流发生器和检流计分相进行阶梯升压直流泄漏电流测试：

1) 从0.2Un开始，以0.2Un为阶梯逐级升压，每个测试电压保持5 min，直至2.0Un。

2) 记录每个测试电压下30 s和5 min的充电电流，并计算每个测试电压下6 min时的充电电流、吸收极化电流和泄漏电流。

定子绕组分相阶梯升压直流泄漏电流测试回路如图3所示。

图3 定子绕组分相泄漏电流测试回路

3 结果分析

3.1 绕组三相并联极化电流分析

由图4可以看出，三相绕组在0.2Un直流电压下的I～t极化曲线基本表现为幂函数的形式。三相绕组在充电和放电过程中，总电流在起始阶段主要为几何电容电流，很快衰减完全，其次为吸收极化电流，从较高值缓慢衰减，衰减时间大于30 min。

图4 定子绕组电流与时间I～t极化曲线

图5表示三相绕组的充放电电流分别与时间的关系。由图5可知，lgI～lgt双对数曲线接近于直线，充电电流大于放电电流，充电电流与放电电流的差值主要由表面泄漏电流的差异引起。

图5 定子三相绕组lgI～lgt双对数曲线

3.2 阶梯升压阶段的电流分析

图6 U相绕组阶梯升压过程中的I～U曲线

图7 V相绕组阶梯升压过程中的I～U曲线

图8 W相绕组阶梯升压过程中的I～U曲线

如图6～图8所示，通过对测试结果的计算分析可知：

1) 表面泄漏电流为测得的充电电流的主要成分，吸收极化电流随电压升高而缓慢增加，但逐渐趋于平稳。

2) 表面泄漏电流与总电流具有基本一致的趋势。

4 结语

1) 1 750 MW级核能发电机定子绕组绝缘的表面泄漏电流与总电流具有基本一致的I～U趋势。

2) 通过定量计算和分析定子绕组绝缘的直流泄漏电流的电流分量，为高电压、大容量核能发电机定子绕组绝缘测试技术的发展积累了一定的数据和经验。

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

[2] JB/T 6204—2002，中国标准出版社，高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐电压试验规范[S].

[3] GB/T 20160—2006，中国标准出版社，旋转电机绝缘电阻测试[S].

[4] 胡波. GVPI交流电动机定子绕组nA级直流泄漏电流测试研究[J].东方电机.2013.1：49-53.

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