金沙水电站水轮发电机组定子线棒耐压试验放电分析

蔡小林

摘要：分析了金沙水电站4号水轮机组定子线棒工频交流耐压试验放电情况，总结了定子线棒出现的各种绝缘问题，并提出了相应的改进措施。结果表明：定子线棒结构和受潮情况是导致线棒放电的主要原因，通过对线棒端头进行包裹和对线棒进行加热干燥可以有效缓解线棒放电现象，但并未完全解决线棒耐压试验中的放电问题。因此，在设计及生产定子线棒时，可以通过增加中间段主绝缘长度，或直接增加绝缘厚度等手段进一步优化线棒结构以解决线棒试验放电问题。

关键词： 水轮机发电机组; 定子线棒; 耐压试验; 金沙水电站

中图法分类号：TM312 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.015

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0069 - 03

0 引 言

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，该河段范围从观音岩水电站坝址至乌东德水电站库尾，天然河道长57 km，落差38 m，平均比降0.69‰。河段内金沙江由西至东横贯整个攀枝花市区，区间流域面积约13.21万km2。电站正常蓄水位1 022.00 m，校核洪水位为1 025.30 m，相应静库容为1.08亿m3，电站装机容量56万kW，最大坝高66.0 m，多年平均发电量为21.77亿kW·h。电站主要开发任务为发电，兼有供水、改善城市水域景观和取水条件及对观音岩水电站的反调节作用等综合功能。

金沙水电站定子绕组采用双层波绕组形式，所有的线棒接头连接采用银铜焊，绕组绝缘为F级绝缘。定子下线施工前需要对单根线棒进行抽检耐压试验，试验过程中常出现线棒端部R弯处放电现象，放电严重的线棒，可能烧坏线棒端部的防晕层，导致耐压试验无法通过[1-3]。本文针對金沙水电站4号水轮机组定子线棒工频交流耐压试验放电问题展开了分析。

1 发电机定子绕组参数

金沙水电站发电机定子绕组为三相4支路双层波绕组形式。定子铁芯高度为1 578 mm，定子铁芯内径为16 350 mm，线槽宽度为20.0 mm×137.8 mm，共计936槽，定子绝缘等级为F级。按照厂家图纸要求，线棒需放入槽底垫条（半导体层压板垫条），用整张低阻半导体布包裹定子线棒并随线棒嵌入槽内， 线槽槽底、槽中及线棒上下层之间均设有测温元件，测温元件型号PT100，线圈测温元件36支，铁心测温元件64支，齿压板测温元件40支，共140支。绕组端部斜边垫块及槽口垫块均包有环氧适形材料。三相六支路引出采用φ50铜环至定子机座出口和中心处汇流铜环支架，汇流环共9层。

2 4号机组定子绕组试验

厂家将线棒发货到现场后，需检查定子线棒包装、运输、储存后外包装是否有损毁，定子线棒表面是否有损伤，同时按照要求对单根定子线棒进行抽检试验，测绝缘电阻、进行工频交流耐压试验，试验合格后方可进行安装工作。

2.1 4号机组定子线棒单独耐压试验

2.1.1 试验前准备

（1） 试验场地准备。场地面积约20 m2，并且有可靠的接地桩，同时在试验场地外挂好安全标识牌并做好安全隔离措施。

（2） 试验环境的温度与湿度要求分别小于40 ℃与80%。

（3） 试验其他人员需分工明确以确保试验场所内井然有序。

（4） 准备好单根线棒的耐压试验设备，放置线棒的平台及耐压用的电极。

2.1.2 试验操作过程

（1） 按要求进行设备接线，并确保所有设备可靠接地。

（2） 将线棒直线部位包以锡箔或铝箔作为电极（或放入模拟铁心）。试验时，允许利用多股柔软裸铜绞线缠绕于低阻层外作为电极，但缠绕应尽可能紧密且间距不大于10 mm，电极包扎长度1 598 mm。

（3） 线棒端部导体连接高压线。

（4） 试验原理如图1所示。

（5） 测量线棒试验前绝缘电阻大于200 GΩ，满足试验要求。

（6） 开始试验，逐步提升试验电压至40 kV后，保持40 kV的电压1 min，观察线棒是否存在放电现象。

（7） 测量线棒试验后绝缘电阻需大于200 GΩ。

2.1.3 4号机组定子线棒放电问题

金沙水电站4号机组定子线棒单独耐压试验共抽检96根线棒，其中6根线棒爬电现象明显;部分线棒在未加压到额定试验电压40 kV时便出现放电现象，还有部分线棒在加压到额定电压后保压时间不足1 min便出现放电现象，放电部位集中在线棒端部R弯处。

2.1.4 4号机组定子线棒现场处理方案

针对部分抽检线棒存在放电的问题，现场采取了以下两个处理措施。

（1） 将定子线棒加热到80 ℃进行干燥，持续12 h，以排除定子线棒因受潮导致绝缘性能下降的因素。使用此处理措施后，对6根不合格线棒重新进行耐压试验，其中4根线棒重新试验合格，还有2根线棒仍然不合格。

（2） 使用绝缘硅胶带对线棒端头进行包裹处理，以此增加爬电距离，减缓放电现象的发生。使用以上处理措施后，对试验不合格的线棒重新进行耐压试验，仍然有1根线棒耐压试验不合格。

2.2 4号机定子下层线棒耐压试验过程

2.2.1 试验前准备

（1） 各试验设备正确连接并与定子机壳可靠接地，确保安全。

（2） 试验其他相关人员分工明确以确保试验场内井然有序。

（3） 试验场外挂设安全警示牌以及隔离措施。

（4） 试验环境的温度与湿度要求分别小于40 ℃与80%。

（5） 定子要求干燥彻底并清扫干净。

（6） 确保所有测温元件可靠接地。

2.2.2 试验操作过程

（1） 交流耐压试验分组进行，升压时起始电压不超过耐压值的1/3，然后逐步升至试验电压36 kV，历时10～15 s，耐压时间1 min。

（2） 耐压试验时，电压施加于绕组与机壳之间;对于此时不参与试验的绕组，测温元件及铁心等均与机壳连接并接地。

（3） 进行工频交流耐压试验前和试验后，测量相应绕组的绝缘电阻。

（4） 试验原理如图2所示。

2.2.3 下层线棒放电问题

在试验过程中，试验电压升压至15 kV时，定子两根线棒下端头发生放电现象。

2.2.4 现场处理方案

使用石棉被将整个下层线棒包裹住，并将线棒加温至80 ℃，干燥48 h后重新进行试验。使用此处理措施后，重新进行耐压试验并顺利通过。

3 4号机组定子线棒放電现象分析

在进行耐压试验时，高压作用在主绝缘上，如果主绝缘上存在绝缘发空或分层，当电场强度高到使空气击穿，就会出现电火花，也就是放电现象[4]。通过试验可以发现线棒放电位置都集中在线棒端头高阻带，中间绝缘的部位基本上没有放电现象;定子线棒结构和受潮情况是导致线棒放电的主要原因，现场通过对线棒端头进行包裹和对线棒进行加热干燥可以有效缓解线棒放电现象。

4 定子线棒放电现象预防措施

为符合定子铁芯槽的方形空间，线棒也设计成方形，线棒导体的排列截面也是长方形的，这就导致导体表面的电场分布不均匀，角部电场强度高，极易发生局部放电;绕组端部出槽类似套管结构，电场强度较高，也容易发生电晕现象。因此在设计及生产定子线棒时，可以考虑调整优化线棒的等电位结构，以增加防晕长度为目的增加中间段主绝缘长度，或直接增加绝缘厚度，或更换其他绝缘材料以改变其防晕表面电阻率等。同时线棒受潮也是导致线棒放电的一大诱因。因此，在仓储、运输及施工安装中做好防潮措施，可以大大提高定子线棒耐压试验合格率。

5 结 语

金沙水电站4号机组定子线棒耐压试验线棒出现放电问题，经过现场处理并对试验不合格线棒进行更换，线棒单独试验、上层线棒试验、下层线棒试验及定子整体耐压试验全部顺利完成，并按期完成了机组发电目标。

参考文献：

[1] 孙永鑫，任鹏，陈阳. 定子线棒表面电位分布原理和影响因素研究[J]. 大电机技术，2021（2）：49-53.

[2] 王振羽. 发电机定子线棒槽放电的影响因素研究[J]. 大电机技术，2021（2）：54-58.

[3] 王立军，张益中，郑刚. 高电压等级发电机定子线棒绝缘技术研究[J]. 电机技术，2020（6）：26-32.

[4] 赵贵前. 发电电动机定子绕组线棒绝缘系统制造采用的局部放电防止技术与监造[J]. 水电与抽水蓄能，2018，4（2）：90-93，89.

（编辑：江 文）

3722501908223