邹 祖 冰1 ，陈 铁2
(1.中国长江三峡集团公司,四川 成都 610041； 2.三峡大学 梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002 )
摘要：目前，水轮发电机定子线圈的额定电压和单机容量已分别达到了26 kV和 1 000 MW，但是缺乏相应等级下进行定子线圈绝缘性能测试的国家标准和国际标准。对26 kV以下电压等级的水轮发电机定子线圈绝缘性能实验的标准及规范进行了总结和分析，在此基础上，结合国内外高电压等级线圈的生产制造经验及其运行实践，探索性地提出了26 kV巨型水轮发电机定子线圈的常规试验项目和型式试验项目的标准建议。成果可以为巨型水轮发电机定子线圈绝缘性能实验标准的出台提供参考。
关 键 词：试验标准； 定子线圈； 绝缘性能； 绝缘试验； 大型水轮发电机
一般而言，都需要对水轮发电机组的定子线圈绝缘及其耐受电压进行试验。目前，水轮发电机组的容量已经达到了1 000 MW，定子线圈的额定电压已达到了26 kV[1-2]，然而，针对这类电压等级的发电机组定子线圈的绝缘性能试验，目前还缺乏相应的国家标准。本文总结了现有的国家标准和国际标准，并结合国内外对高电压等级水轮发电机组线圈的研制及其积累的试验经验，探索了大型水轮发电机组定子线圈常规试验和型式试验的一些试验项目及试验标准，以适应巨型水轮发电机的发展。
绝缘性能的常规试验项目包括表面电阻、电晕、工频耐压和介质损耗等[3-4]。针对高电压等级的水轮发电机组，主要讨论电晕试验、工频耐压试验和介质损耗试验。
2.1 电晕试验
现行国家标准规定[5-6]：① 定子单根线圈在1.5倍额定电压下，不应起晕;② 整机在1.05倍额定电压下，端部应无明显的晕带和连续的金黄色亮点。
针对第一种情况，目前国内装机700 MW，额定电压为20 kV和23 kV水轮发电机的运行实践表明：定子线圈上存在已经发生电晕现象的情况。对该水轮发电机组重新进行电晕试验时发现，当电压升高到1.5倍额定电压时，并没有观察到定子线圈的电晕现象；当电压升高到 2倍额定电压时，才发现有微弱的电晕现象。显然，针对目前的设计和制造工艺，采用1.5倍的额定电压考核单根线圈的电晕，明显偏低。
针对第二种情况，电网要求水轮发电机组在1.1倍的额定电压条件下能够长期运行，而且目前巨型水轮发电机组的定子线圈都是在工地下线安装，工地的工作环境无法与工厂的试验室相比，因此应当将整机耐压的电压水平适当提高。
综合上述因素，结合国内外的工程实践，针对大型水轮发电机组定子线圈的电晕试验标准，提出如下建议：在1.5倍的额定电压下，单根定子线圈不应起晕；进行整机耐电压试验时，在1.1倍的额定电压下，端部应无明显的晕带和连续的金黄色亮点。
2.2 工频耐压试验
工频耐压试验是在一定的电压条件下定子线圈耐过1 min的时间，旨在考验定子线圈的整体绝缘性能。根据现行标准，对于成品单根线圈，工厂1 min的工频耐压为≥2.7倍的额定电压+6.5 kV；单根定子线圈在下线之前，按每台机组线圈总数的5%进行抽样试验，线圈能安全承受不低于2.75倍的额定电压+2.5 kV的工频试验电压1 min。单根定子线圈在嵌入槽下层后的联接之前，应对其进行试验，能安全耐受不低于2.5倍的额定电压 +2.0 kV的工频试验电压1 min。上层线圈下线后，打完槽楔与下层线圈一起试验，应能安全耐受不低于2.5倍的额定电压 +1.0 kV的工频试验电压1 min。当全部绝缘处理工作结束以后，完整的定子绕组应能安全地耐受不低于2倍的额定电压 +3 kV的工频试验电压，试验时间为1 min。
根据国内容量为700 MW级、额定电压为20 kV和23 kV的水轮发电机组定子线圈的工程实践，建议定子线圈的工频耐压在表1中所列出的数据下能够持续1 min。
表1 定子线圈工频耐压 kV
项目成品线圈嵌装前下层线圈嵌装后定子安装完成整机完成条式线圈2.75UN+6.52.75UN+2.52.5UN+2.02.0UN+1.00.8×(2.0UN+1.0)圈式线圈2.75UN+6.52.75UN+2.52.0UN+1.0水直接冷却条式线圈2.75UN+6.52.75UN+2.52.5UN+2.02.0UN+6.0(无水)2.0UN+1.0(有水)
注：UN为额定电压。
2.3 介质损耗测量
一般情况下，用介质损耗角的正切值来评定绝缘介质在某一电压范围内的老化状况[2]。通常，tanδ和Δtanδ代表绝缘的平均老化水平。在设备出厂的检查和运行中，介质损耗测量是必做的试验项目。线圈直线段绝缘良好、无缺陷时， tanδ在一定的电压范围内基本上不会随着电压的增加而出现明显的变化，增加量一般很小。
防晕保护层部分随着电压的变化等，其容性电流变化会比较明显，因此，tanδ随着容性电流的变化而变化，从而使得测试结果不准确。目前有两种测量方式，一种是采用完全屏蔽法，具体参数列于表2；第二种是采用包括防晕层的非完全屏蔽法，具体参数列于表3。
表2 完全屏蔽法常态介质损失角正切值及其增量要求
试验电压/kV介质损失角正切值及其增量指标/%0.2×UNtanδ≤1.00.2～0.6UNΔtanδ=tanδ0.6UN-tanδ0.2UN≤0.5
注：UN为额定电压。
3.1 工频击穿试验
工频击穿试验是大型水轮发电机组定子线圈绝缘性能考核的重要试验项目，对于高电压等级的水轮发电机组而言尤为重要[3]。在IEC标准和国家标准中，工频击穿试验是新设计的定子线圈必须进行的试验项目[7]。
表3 非完全屏蔽法常态介质损失角正切值及其增量要求
试验电压/kV介质损失角正切值及其增量指标/%0.2UNtanδ≤1.50.2UN～0.6UNΔtanδ=tanδ0.6UN-tanδ0.2UN≤0.5
注：UN为额定电压。
在国家标准中，对定子线圈绝缘的工频击穿电压试验方面的要求是：定子线圈绝缘的工频击穿电压不应小于5.5倍的额定电压，一般为5.5～6.0倍的额定电压。
在试验过程中，可以采用快速升压和慢速升压两种方法进行试验。在快速升压的试验方法中，从加压开始计时，发生击穿的时间最好在10～20 s以内。升压速度可以在100，200，500，1000，2000 V/s和5000 V/s等，IEC60296标准中推荐选择2000 V/s。
根据理论分析结果以及试验情况，针对电压等级为18～26 kV的大型水轮发电机组来说，如果选择低升压速率，建议不要超过3 kV/s，则击穿电压值选择5.5～6.0倍的额定电压；如果选择高升压速率，建议选择5～10 kV/s，则击穿电压值选择6.0～6.5倍的额定电压。
3.2 电热老化试验
电热老化试验是通过模拟定子线棒真机运行工况，来考核定子线棒主绝缘的耐电热综合因素的性能，得出其电热老化的寿命，从而评定线棒绝缘结构在实际运行条件下的耐电热老化的水平[4-5]。电热老化试验更接近于定子线棒的运行环境条件，可优化绝缘结构的设计，指导实际生产，降低成本，提高经济效益。IEEE 1553-2007标准规定：额定电压为22 kV及以下的水轮发电机组线圈和定子线棒的电热老化试验温度为发电机设计层间温度的最高值[8]。国内一般是采用制造厂的企业标准或IEEE 1553-2007标准，没有统一的标准规范。 对电热老化方面的要求列于表4。
表4 电热老化要求
额定电压/kV试验要求A(电压/时间)试验要求B(电压/时间)18.039.1kV/≥400h≥43kV/≥250h19.041.2kV/≥400h≥43kV/≥250h22.0≥43kV/≥400h≥43kV/≥250h
根据国内外定子线棒电热老化试验的实际经验，试验分两步进行：首先进行电老化试验，然后进行电热老化试验。按照国内F级绝缘材料B级考核的规定，电热老化试验的试验温度为120℃。
(1) 电老化试验时。在3倍的额定电压下试验时间不得低于10 h，在2倍的额定电压下的试验时间不得低于500 h；冷热循环试验后，在室温条件下， 在2倍的额定电压下试验时间不得低于400 h。
(2) 电热老化寿命。对于24 kV的线圈，一般试验条件和要求为47.4 kV/120℃≥400 h；对于26 kV的线圈，一般试验条件和要求为56 kV/120℃≥400 h。冷热循环试验完成之后，对于24 kV的线圈，一般试验条件和要求为44.5 kV/120℃≥250 h；对于26 kV的线圈，一般试验条件和要求为52.6 kV/120℃≥250 h。
3.3 冷热循环试验
为验证定子线棒新的绝缘结构，借助于冷热循环试验来模拟发电机频繁启停机和负荷的大幅变换。该项试验对于检验定子线棒主绝缘的耐机械和温度等劣化能力、保证发电机的安全稳定运行，具有重要的意义[5，9-10]。然而，目前国内还没有电机冷热循环试验方面的相关规程规范，因此，试验时一般是采用制造厂的企业标准或IEEE1310标准。
根据IEEE 1310-2012标准中推荐的试验方法，测试下限温度是40℃、上限温度为绕组的温度限制，因此，推荐的冷/热温度速率平均为2.5℃(±1.0℃)/min[9]。例如，对于F级的绝缘绕组，一个热循环是从40℃升高到 155℃，然后降低到40℃。在92 min内完成一个热循环。升/降温的速率为2 ×(155℃ - 40℃)/ t = 2.5℃±1.0℃的平均时间为92 min、最短时间为66 min、最长时间为153 min，循环次数为500次。循环完成之后，再进行介损测量、尺寸检查、发空检查、表面电阻测量以及局部放电测量。
在实际操作过程中，针对目前所采取的温度控制手段条件下，为了尽快地发现定子线棒的质量缺陷，本文对试验方法进一步进行了规范。具体做法为：在30～45 min内，将线圈加温至150℃±5℃；在30～45 min内，将线圈降温至40℃，试验周期为500个。在第0，50，100，250个和500个周期结束后，分别进行介损测量、尺寸检查、发空检查、表面电阻测量以及局部放电测量，并对各个参数的变化情况进行比较分析，以此来判断线圈绝缘耐受冷热循环的能力，要求各参数在试验前后应无明显变化。
本文基于大型水轮发电机组的工程实践经验和国内、国际标准的实际应用情况，对大型水轮发电机组的定子线圈绝缘性能试验项目以及试验标准进行了初步的探讨分析，根据分析结果，推荐了绝缘性能试验项目和标准，归纳总结如下。
(1) 电晕试验。单根定子线圈应在1.5倍的额定电压下不起晕，整机耐电压试验时，在1.1倍的额定电压下，端部应无明显的晕带和连续的金黄色亮点。
(2) 工频击穿试验。如果选择低升压速率，建议选择不超过3 kV/s，则击穿电压值相应选择5.5～6.0倍额定电压；如果选择高升压速率，建议选择5～10 kV/s，则击穿电压值相应选择6.0～6.5倍额定电压。
(3) 电热老化试验。试验温度为120℃，电热老化试验时，3倍额定电压下试验时间不得低于10 h，2倍额定电压下试验时间不得低于500 h。冷热循环试验后，在室温条件下，2倍额定电压下不得低于400 h。
(4) 电热老化寿命。对于24 kV的线圈，试验条件和要求一般为47.4 kV/120℃≥400 h；对于26 kV的线圈，试验条件和要求一般为56 kV/120℃≥400 h。冷热循环试验完成后，对于24 kV的线圈，试验条件和要求一般为44.5 kV/120℃≥250 h；对于26 kV的线圈，试验条件和要求一般为52.6 kV/120℃≥250 h。
(5) 冷热循环试验。在30～45 min内，将线圈加温至150℃±5℃；在30～45 min内，将线圈降温至40℃，试验周期为500个。在第0，50，100，250个和第500个周期结束以后，分别进行介损测量、尺寸检查、发空检查、表面电阻测量以及局部放电测量，并对各个参数的变化情况进行比较分析，以此来判断线圈绝缘受冷热循环的能力，要求各参数在试验前后应无明显的变化。
接下来，根据在实际工程中的应用情况，将会开展进一步的研究和探讨，以为大型水轮发电机组定子线圈绝缘性能的测试提供更加科学的试验方法。
参考文献：
[1] 徐冰，李振海，张秋寒，等.1 000 MW水轮发电机定子线棒绝缘技术的研究[J].绝缘材料，2012,45(3):16-21.
[2] 邹祖冰,杜建国,吴仲平.大型水轮发电机定子线棒介质损耗测量探讨[J].大电机技术，2011(1):5-11.
[3] 邹祖冰,杜建国.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[J].大电机技术，2011(1):33-35.
[4] IEC60243-1-1998 绝缘材料电气试验方法[S].
[5] IEEE1553-2007水轮发电机线圈和定子线棒耐压标准[S].
[6] IEEE1310-2012电机定子线棒和线圈冷热循环试验规程[S].
[7] GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件[S].
[8] GB/T8564-2003水轮发电机组安装技术规范[S].
[9] 邹祖冰,陈铁.大型水轮发电机定子线棒并头结构分析[J].人民长江，2016,47(21):99-102.
[10] 梁智明,曾谦,漆临生.二滩水轮发电机组定子线棒冷热循环试验研究[J].绝缘材料通讯，2000(6):27-32.
(编辑：赵秋云)
Abstract: At present, the rated voltage of stator coil and single unit capacity of hydraulic units have reached to 26 kV and 1000 MW respectively, however, correspondent national or international standard on insulation test of coils are still absent. For the voltage lower than 26kV level, we summarize and analyze the related test standards and codes for stator coil. On this basis, combining with the manufacturing and operation experiences of high voltage coil at home and abroad, we present the test items and standard on traditional test and type test for stator coil of super-large hydraulic turbines with voltage of 26kV. The results could provide references for specification formulation of insulation tests of stator coil.
Key words: test standard; stator coil; insulation performance; insulation test; large hydro-turbine
ZOU Zubing1, CHEN Tie2
(1.China Three Gorges Corporation, Chengdu 610041, China; 2.Hubei Provincial Key Laboratory of Cascade Hydropower Station Operation and Control, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)
中图法分类号：TV734
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.18.019
收稿日期：2017-03-03
作者简介：邹祖冰，男，高级工程师，硕士，主要从事水电站电气设计与管理工作。E-mail:zouzubing@ctgpc.com.cm
通讯作者：陈 铁，男，副教授，主要研究方向为水电站仿真与控制、电力系统运行与控制。E-mail:623845668@qq.com
文章编号：1001-4179(2017)18-0093-03
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