浅谈大型发电机绝缘老化的鉴定试验方法

浅谈大型发电机绝缘老化的鉴定试验方法

杨卫乐

内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，内蒙古自治区呼和浩特市，010000

摘要：定子绕组是发电机的重要部件，绕组的绝缘应具有规范要求的耐热等级、足够的介电强度、优良的机械性能和良好的工艺性，并在规定的运行期间内其性能会到影响发电机安全运行的水平。如果定子在生产、运输保管或安装过程中出现缺陷，发电机投运后将会发生过热、振动大或线圈击穿事故，造成巨大的经济损失。发电机定子线圈使用寿命大概为30年，在运行27年时通过老化试验检测得出定子线圈绝缘老化非常厉害，必须要进行大修处理。

关 键 词：发电机;绝缘老化; 鉴定实验；修复       

引言

某热电厂一台发电机装机容量为30000kW，绝缘等级为B级，1991年12月出厂。在进行汽轮发电机组通流部分改造的过程中，发现定子存在以下缺陷：（1）约24处槽契松动；（2）汽轮机侧端部线棒间固定绝缘垫块及缠绕带松脱；（3）多处绑扎带脆化；（4）膛内靠近汽轮机端部有黄色粉末。为了保障维修方案的正确，决定由湖南省电力科学研究院对发电机定子进行老化鉴定后决定是局部修理还是大修 [1]。

1、发电机老化鉴定实验

1.1局放、介损及电容量增率实验

1.1.1实验目的

        局部放电实验是通过测量实验电压下定子绕组局部放电量值，确定机组的整体绝缘状况。介质损耗测量及电容量增率主要是检测线棒是否存在绝缘老化、脏污等整体绝缘缺陷，判断绝缘状况。

1.1.2试验条件

        在发电机大修期间，解开发电机出线软连接及中性点连接线；定子绕组已清理脏污。

1.1.3 试验方法   

        发电机定子线圈绝缘老化试验是一种比较复杂的工作。对于环氧粉云母绝缘的机组一般进行局放、介损、电容增加率、绝缘强度考核等鉴定试验。通过这些试验，结合制造、运行情况进行综合的分析，然后做出综合判断。

1.1.4 试验内容

        根据DL/T492-2009，试验项目如下：

        1）整相绕组局部放电量测量；

        2）整相绕组的介损tgδ及增量（Δtgδ）；

        3）整相绕组的电容及增加率；

        本次试验不对单根线棒进行抽样试验。

        介损tgδ（%）及增量Δtgδ（%）的测量及电容增加率试验

        根据试验中局放起始放电电压情况确定起始游离电压U0，按接线图接线，按高压介损设备操作方法进行调整，然后升压分别至0.2、0.4、0.6、0.8、1.0UN，测量此时的介损和电容（期间需要测量U0时的介损和电容值）。整相测量时，介损增量取：

        Δtgδ= tgδUn-tgδUo（%）

        依次测量各相（或分支）绕组的上述介损值和电容值。

1.1.5实验结果及数据分析（温度26℃，湿度54%）

            1）局部放电量测量：

        测量得到ABC三相起始游离电压Uo＝1300V左右；可以看出各相绕组在电压下的局放量均超过10000pC，在Un电压下局放量A相超过20000pC，B、C相也都超过18000pC。

        注：本次试验采用方波5000pC，现场电源干扰2500pC左右，试验耦合电容为18nF，测量阻抗为1500pF～25nF [2]。

        2）整相绕组的介损tgδ及增量（Δtgδ）和整相绕组的电容及增量；

        试各相的介损值在0～6300V电压下趋势线呈阶梯式上升，介损值与电容量增加量有明显增大，介损增加量和电容增加率均超过规程所定限值。

1.1.6结论与建议

        依据DL/T492《发电机定子绕组环氧粉云母绝缘老化鉴定导则》的相关规定，结合本次试验结果，#2发电机定子线棒绝缘已出现明显老化，本次试验不合格。建议更换全部定子线棒。

1.2 定子端部电晕实验

1.2.1实验目的

        定子绕组的绝缘在运行电压下常在绝缘内部的空隙中、槽口、通风道附近和端部的绝缘表面产生电晕放电现象。电晕放电产生腐蚀和化学降解，导致绝缘性能裂化直至损坏，是促使发电机绝缘迅速老化的重要原因之一。定子端部电晕检测试验就是检查定子线圈端部防晕层的绝缘状况。

1.2.2试验条件

        （1）发电机绝缘良好；

        （2）发电机转子在膛外；

        （3）发电机测温元件二次端子短路接地；

        （4）检测时环境温度在50C～400C，相对湿度小于80%。

1.2.3试验方法

        试验加压方法按照发电机交流耐压接线方法进行，试验电源要求：50Hz的正弦波，谐波分量不超过基波的5%。试验电压在高压侧测量，最高电压为额定线电压（22kV） [3]。

1.2.4 试验内容

        1）分相测量定子绕组的绝缘电阻；

        2）根据分工按图接线，布置好试验现场，做好安全措施；由专人负责检查试验接线、表计档量程是否正确，调压器是否在零位；

        3）试验设备检查表计、保护装置正确；

        4）接入被试设备，合电源开关，对发电机分相进行加压，非加压相短接接地，当所加电压达到最高试验电压的75%时，以最高试验电压的5%分段加压，加压过程中，一旦出线严重的放电现象时应立即降低电压并停止检测；

        5）试验分两阶段检测，第一阶段查找端部绕组同相间和相绕组对地的电晕，测试电压为发电机额定相电压，第一阶段检测无异常后升压至发电机额定线电压进行第二阶段检测，查找异相间电晕，检测完成后迅速降压；

        6）放电、挂接地线，换到其他试验相，用同样的方法，进行其他相的试验；

        7）记录被试设备的温度和试验中发现的问题。

1.2.5实验结果及数据分析（温度26℃，湿度54%）

        发电机三相绝缘：A相650MΩ，B相520MΩ,C相520MΩ

        试验前背景光子数N：3-10左右。

        根据DL/T298-2011《发电机定子绕组端部电晕检测与评定导则》，在使用紫外仪进行电晕检测时分两个阶段进行。第一阶段：额定相电压下检查，重点检查端部的防晕层、线棒槽口、压板、压指、压圈、支撑环、绑环等位置。第二阶段：额定线电压下检查，检查相邻相间处电晕。

        两个阶段的紫外检查结果，其中在第一阶段相电压下检查时，励端和汽端均出现电晕现象；第二阶段检查中相间也有多处出现了电晕现象，电晕图谱与规程中的典型端部电晕图谱相似，出现电晕的位置及对应图像编号如下表：（十二点钟方向为起点，顺时针旋转）

注：出现电晕现象位置均用记号笔标记，处理

1.2.6结论与建议

        在该发电机电晕检测试验中，相电压下在定子绕组端部的线棒槽口、压板、绑环等位置均出现电晕现象，而在线电压下发现汽、励两端定子绕组端部相间均存在严重的电晕缺陷。建议返厂处理，更换全部定子线棒。

        根据以上的试验结果，我们很明显的可以得出结论，发电机的各项老化鉴定指标均不合格，需要返厂处理，更换全部定子线棒。

2、绝缘失效原因分析
2.1材料优化
从风力发电机普遍采用变频器供电的角度考虑，设计时需要强化匝间绝缘材料的耐电晕性能。采用成型绕组的兆瓦级风力发电机匝间绝缘通常采用耐电晕薄膜烧结或云母带绕包两种设计。得益于材料廉价、起晕电压高和耐电晕寿命长等优点，云母绕包设计应用相对更为广泛，适合风力发电机这种对匝间绝缘减薄要求不高的领域。此外，发电机绝缘性能在很大程度上也取决于所选VPI树脂体系。从目前风电制造行业使用最多的3种主流VPI树脂体系：聚酯亚胺、环氧树脂以及环氧改性不饱和聚酯的性能对比看，后者克服了环氧树脂耐热低的缺点，粘接强度和机械性能又比聚酯亚胺具有优势，有助于绝缘结构抵抗因温度交变产生的热机械应力老化作用，在风电行业具有更大应用潜力。
2.2结构优化
对离岸型风机，盐雾腐蚀绝缘结构主要通过两个途径，一种是从绝缘结构通道（如气隙等）进入，由内而外腐蚀铁心及绝缘；另一种是突破绝缘表面防护，从外到内对绝缘和冲片进行腐蚀。对前者来说，可以通过改善VPI浸漆效果（如采用两次VPI浸漆工艺等），减少绝缘结构性通道和孔隙；而对于后者来说，在发电机定转子表面涂覆具有耐盐雾腐蚀作用的绝缘涂料（氟硅橡胶、氟碳磁漆等），可以显著提高发电机绝缘结构的耐盐雾性能[2]，最终提高绝缘结构的整体性和发电机长期运行的可靠性。
2.3加强质量管控
风力发电机产品制造过程尤其是VPI浸漆过程中产生的质量缺陷，是造成产品绝缘故障比例偏高的主要因素之一。通过制定有效的验收方法和标准，如淋水/浸水试验等，可以及时暴露发电机绝缘的薄弱环节，是检验和控制产品质量分散性的有效手段。具体措施是：试验用水加入非离子型润湿剂，然后定子按规定时间和次数间断淋水，或连续2h浸水，使用兆欧表测试并记录样品的1min绝缘电阻。
3、发电机定子返厂处理
考虑到维修的成本和工期两方面的因素，该热电厂决定不对定子线圈进行更换，只更换线圈的绝缘，由原来的B级绝缘升级为F级绝缘，工期缩短至一个月。施工步骤如下：（1）定子线圈绝缘要全部更换，总计120只。发电机定子装车运回，拆线、整理、编号、损坏的铜线修复或更换。准备F级少胶云母带、5442自粘性黄金薄膜带，发电机定子120个半边旧线圈更换对地绝缘，半边线圈压型后端部整形；（2）检查定子铁芯紧固位置有无松动并更换全部测温元件；（3）线圈烘干后做防晕处理，做交流耐压试验，做匝间试验，所有线圈均要合格；（4）打紧槽楔后做交流耐压试验；（5）线圈端部绑扎及垫块固定；（6）端部接头焊接采用45%银焊条；（7）端部焊接结束后，处理过桥匝间绝缘，采用云母包扎；（8）定子线圈更换后，按规定要求烘干和浸漆；（9）修理后，电气试验项目：绕阻绝缘电阻、直流电阻、直流耐压、交流耐压；（10）试验合格后定子线圈整体喷覆瓷漆。

4、结束语
发电机大修结束后，该热电厂派人参加了发电机的出厂试验，定子就位后完成了交接试验，所有试验均合格。当汽轮机改造完成后，发电机的组装也完毕。开机成功后，检测发电机的出口温度及震动等各项参数，均在合格范围内。
通过此次修理，未对发电机的线圈进行更换，只更换了线圈的绝缘并将以前的B级绝缘提升至F级绝缘，不仅完美解决了定子线圈老化的问题还大大节约了维修费用和维修的工期。参考文献：
[1]刘学忠，王放文，张天龙．5MW海上风力发电机绝缘系统的海洋环境模拟试验研究[J]．高压电器，2015(5):14-18.
[2]陈洪武，陈红生，张亦黄．海洋大气中的风力发电机绝缘系统耐候性试验研究[J]．绝缘材料，2019(2):23-25.
[3]刘学忠，钟力生．兆瓦级风力发电机绝缘的重复脉冲电老化寿命评定方法[C].中国电工技术学会学术年会，2019．