700 MW 水内冷发电机绝缘测量常见问题及解决方法

刘国建，徐长福，张小永

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

发电机定子绝缘电阻是判断发电机绝缘状况，保证机组安全稳定运行的重要依据[1]。绝缘电阻是加在被测试电气设备上的直流电压U与流过的电流I之比。对于定子绕组采用水内冷冷却方式的发电机，其绝缘测量值可能与线棒表面的工艺处理、发电机的绕组结构、发电机的受潮程度、纯水导电率大小、发电机风洞的温湿度、发电机直连的设备的绝缘程度、测试仪（不同测试仪有不同的原理）、线圈中测温传感器RTD 的绝缘情况等有关[4-5]。对发电机定子绕组进行绝缘测量时，发现定子绝缘电阻测量值分散性很大，甚至会出现定子绝缘电阻测量值为零的情况，导致无法根据绝缘电阻测量值判断发电机定子绕组真实绝缘状况。

1 水内冷发电机定子绝缘测量原理

水内冷发电机定子绝缘电阻测量一般采用低压屏蔽法[3]。水内冷发电机定子绕组绝缘电阻加直流电压时，定子绕组流过一部分电流IX，纯水流过另一部分电流IK，若IX、IK混合在一起，则不能准确测量定子绕组的绝缘电阻，因此必须采用低压屏蔽法将IX、IK区分开来，试验原理如图1 所示。由于微安表与汇水管对地电阻相并联，IX=I′X（1+RA/RH）；RA：微安表内阻；RH：汇水管对地绝缘电阻。

图1 水内冷发电机定子绝缘测量原理图

一般情况下，微安表内阻RA实际很小，当发电机定子绝缘RX良好，汇水环管对地绝缘RH良好（RH≥3 kΩ），流经汇水环管RH的电流很小，大部分的电流都经微安表回到测量仪器，这时候I′X≈IX，定子绝缘等效对地电阻RX实际上就是加在绝缘体上的直流电压U与微安表上的泄漏电流I′X之比，即：RX=U/I′X。

测量发电机定子绝缘时还需测得吸收比K，吸收比是指60 s 与15 s 两个时刻的定子绕组绝缘电阻值相比，即K=R60s/R15s，吸收比K是判断发电机定子是否受潮的判据之一，吸收比K试验适用于容量较大的电气设备（如发电机和变压器等），其测量原理如图2 所示是：测量发电机定子绝缘对发电机定子进行充电，当发电机定子干燥，摇测到15 s 时，充电电流数值比较大，测量值R15s相对较小；摇测到60 s 时，发电机定子充电已基本完成，充电电流已经减小，测量值阻R60s相对较大，吸收比K数值较大，实际工作中要求吸收比K＞1.3。

图2 绝缘正常时的吸收曲线

2 实际发电机绝缘电阻测量现场环境的不足

（1）汇水环管安装在定子线棒下端，纯水汇水环管采用一点接地方式运行，与支撑构架及风洞外纯水管道通过绝缘材料隔离绝缘，在汇水环管与纯水进、出风洞管道连接处，从纯水进环管及纯水出环管上各引一根接地线就近进行接地，如图3、图4、图5 所示。

图3 A 接地线与纯水进环管连接

图4 B 接地线与纯水出环管连接

图5 汇水环管引出线位置图

在测量发电机定子绝缘时，测量人员需将汇水环管两处接地引线与接地装置断开，并通过测试线接入水内冷绝缘表“屏蔽端”。存在以下问题：①测试点距离下风洞入口较远，约30 m，人员进出及设备搬运不便；②两处接地点反复拆装后容易造成接地螺丝滑丝，更换滑丝的螺丝施工地狭窄，不利于更换工作；③下风洞结构较复杂，存在一定安全隐患。

（2）20 kV 电压互感器装设在励磁变柜内，每相装设有4 个PT，一次尾接地方式为：每相4 只电压互感器一次绕组末端相互短接后引出，接地短接线引出后与其接地引下线连接，并通过励磁柜内专用接地铜排接地。测量发电机定子绝缘时，要分别将三相内PT 一次尾接地引线与地断开，现场工作中，由于螺栓较小，在拆装的过程中难免会引起滑丝的情况出现，造成PT 一次尾不可靠接地，形成高压虚电位，在机组运行中一旦有此情况发生，容易造成设备和人身伤害，如图6 所示。

图6 PT 接地方式完善前示意图

3 实际工作中发电机绝缘电阻测量值不精确

若只测量发电机定子的绝缘，需将发电机出口及发电机中性点断引，工作量较大。因此实际发电机绝缘电阻测量不仅是发电机本身的绝缘，还包含了发电机出口封闭母线、主变低压侧绕组、励磁变绕组、PT一次侧绕组、避雷器的绝缘情况，如图7 所示[2]。

图7 发变组主接线图

（1）以测量定子绝缘包含电压互感器PT 为例，定子和PT 受潮或绝缘较低时的吸收过程如图8 所示，此时测得的电流i=iR+iPT，PT 绝缘低时，由于PT和发电机的吸收过程不同，PT 的充电电流很快可以到达稳定值，而发电机的吸收过程较长，吸收比K=R60s/R15s=i′15s/i′60s，由图中可看出，由于PT 受潮或绝缘较低的影响，iPT会增大，i′60s和i′15s的值都偏大，但i′60s的值衰减不明显,导致i′15s/i′60s减小，吸收比K减小，吸收比不合格。

图8 PT 受潮或绝缘较低时的吸收曲线

（2）当PT 受潮或绝缘较低时，iPT会增大，因绝缘兆欧表此时测得的电流i′也会增大，测量电阻值R=U/i′，测量电阻值变小，测量电阻值不合格。

（3）由于发电机出口及中性点不断引，绝缘测量值包含定子绕组、封闭母线、主变低压侧、励磁变、厂高变、PT 一次侧的绝缘情况。当专用兆欧表容量较小时，无法对测量设备完成充电，兆欧表电压升不起来，加之充电电流也大，这样反映到兆欧表显示的绝缘电阻值就等于或接近于零。测得定子线圈绝缘电阻为零的现象实质上是兆欧表容量太小，当然也不能完全排除确实是绝缘电阻太低的缘故。

（4）纯水电导率较高，定子绕组对纯水环管的等效电阻较小，流经发电机定子的电流变少，测量仪表不能正常建压，测量值不准确。

（5）当纯水汇水环管存在接地，纯水汇水环管对地绝缘电阻很小时，流经汇水环管的电流会变大，经微安表回到测量仪器的电流会减少，得到的定子绝缘等效对地电阻测量值会失真。

通过表1 可知：定子绝缘测量不合格的情况有：①绝缘吸收比不合格，原因为发电机定子及其相连接的电气设备存在受潮情况；②测量值虚假，较正常值偏大几倍（达到GΩ 级别），原因为汇水环管与相邻金属回路有搭接，汇水环管对地绝缘低；③测量值偏低，原因为发电机及相连的电气设备存在受潮或相连的电气设备存在支撑绝缘子对地绝缘低。

表1 实际发电机绝缘值测量不准确事件表

4 针对发电机绝缘电阻测量现场提出3 点改进

4.1 发电机汇水环管的接地点改进

改进方法：将发电机汇水环管两根环管的两个接地点A、B（图9）通过电缆现地短接后，再由B 点通过一根公共绝缘电缆走电缆桥架引至下风洞入口处进行接地，便于工作人员在下风洞入口处进行发电机绝缘测量工作，以排除安全隐患，提高工作效率。

图9 改进后的汇水环管引出线位置图

4.2 PT 高压绕组接地端的接线改进

改进方法：将三相PT 一次尾引至一个可靠接地点，如图10 所示。针对励磁变柜内发电机出口电压互感器接地工作方式为每相电压互感器独立接地的情况，将每相独立接地点拆除，通过电缆将三相接地点连接后经同一个接地点接地。

图10 PT 接地方式完善后示意图

4.3 更换为容量更大的专用兆欧表

定子绝缘电阻测量是连同主变和封闭母线的三相一起测，这样就需提供更大的充电电流，可更换为容量更大的专用兆欧表。

5 测量发电机绝缘异常的排查解决方法

当发电机的绝缘测量值出现异常，按如下方法依次排查：

①测试前纯水电导率较高，先降低纯水的电导率；②纯水汇水环管对地绝缘较低，查找绝缘低故障点时，采用直流压降法，汇水环管对地加一个直流电流（5 A 左右），测量金属支撑处汇水管的对地电压，若电压约为0 V，则可判断该汇水管金属支撑处为故障接地；若排查的汇水环管的疑似部位对地绝缘良好，则需查找汇水管内测温电阻RTD 是否有短接接地情况；③测量回路有受潮时，开启机坑加热器、励磁变及厂高变加热器，烘干一段时间后再次测量；④断开PT 一次尾电缆，然后测量定子绝缘；⑤将厂高变高压侧与发电机出口母线断引，然后测量定子绝缘；⑥将励磁变高压侧与发电机出口母线断引，然后测量定子绝缘；

通过以上方法逐步排查后，测量值仍不合格，发电机内部存在真实绝缘问题，应对定子绕组仔细查找故障点。

6 结语

大型水轮机组发电机绝缘测量时，考虑到其结构和现场安装情况复杂，工作中面临的安全隐患较多。本文所阐述的3 点改进措施，即发电机汇水环管的接地点改造、PT 高压绕组接地端的接线改造和更换为容量更大的专用兆欧表以及发电机的绝缘测量值出现异常的排查方法已经过现场验证，效果良好，既简化了工作量，又杜绝了安全隐患。