并联谐振原理在发电机定子绕组交流耐压试验中的应用

并联谐振原理在发电机定子绕组交流耐压试验中的应用

林德泉

广州粤能电力科技开发有限公司 广东广州 510000

摘要：发电机是电力系统中关键的电气设备之一，其性能的好坏直接关系到电力系统的安全稳定和经济效益。本文探讨了工频并联谐振原理在发电机交流耐压试验中的应用方法以及注意事项等，以供试验人员参考。

关键词：并联谐振 交流耐压 工频

1. 概述

随着国内对用电负荷和电能质量的要求不断增加，充足的电源容量以及稳定的电气性能逐渐成为电力系统建设项目的重点发展方向。提高单机机组容量以及保证电气设备稳定运行，已经成为各大电力公司及新建电厂的重点考核目标。

发电机作为供应电力的最主要设备之一，其容量等级的提升意味着机组在设计参数、制造工艺以及性能校验上都需要不断改进。其中，绝缘性能作为电气设备的基础考核指标，更是直接关系到机组能否安全可靠地投入运行。按照相关规程要求，发电机在出厂、首次运行前以及每次大修期间都应进行定子绕组交流耐压试验，以考核发电机主绝缘的绝缘性能是否达到平稳运行的要求。

2. 交流耐压的试验目的
   1. 发电机定子线棒的结构浅析

大型发电机的定子绕组由若干定子线棒构成并安装在定子铁心槽内，其主要结构由线棒导体以及包裹导体的绝缘材料组成。线棒导体内各股导线以罗贝尔换位方式围绕单根线棒螺旋绕制（见图1），每股导体连续通过整个线棒长度的各径向空间以减少负载状态下的涡流损耗。定子线棒的绝缘结构主要包括：以玻璃丝包扁线编制的导线匝间绝缘、排间绝缘、换位填充绝缘、槽底及槽内绝缘垫条以及以环氧树脂或环氧胶玻璃粉云母带压缩制成的线棒主绝缘（见图2）等。而直流耐压和交流耐压试验主要对其主绝缘进行考核，以检查其承受过电压能力和判断是否存在绝缘缺陷。

图1定子线棒罗贝尔换位结构图 图2 定子线棒截面结构图

2.2不同电压性质在定子线棒内的分布情况

一般而言，直流电压下的电压分布取决于绝缘材料的电阻性能，直流电压作用下几乎没有电容电流，仅存在很小的泄漏电流，因此线棒端部表面不会产生明显压降，从而可以更有效地检测端部绝缘缺陷。然而，由于环氧-云母绝缘的电阻率较大，直流电压只会作用在离导体最近的薄层绝缘上，不能通过整层厚度的绝缘材料，因此直流耐压试验很难检测出线棒槽部位置的绝缘缺陷。而交流电压下的电压分布主要取决于绝缘各部位的分布电容影响，由于存在电容电流，在线棒端部到定子铁心之间的绝缘表面上将产生交流压降，因此交流电压对线棒槽部的检测更为严格，而且交流耐压试验符合电机实际运行情况，更能得到可信度较高的试验结果。

3. 工频并联谐振的特点

工频交流耐压试验是一种重要的绝缘性能检测手段 ，按照《DL/T 474.4 现场绝缘试验实施导则 交流耐压试验》的相关要求，电压频率在45Hz~55Hz范围为工频电压，且试验电压波形应为两个半波相同的近似正弦波。因此，工频交流耐压试验时在绝缘中的电压分布及击穿特性与发电机运行时相同。所以可以通过该试验检查出定子绝缘在工作频率和电压作用下的薄弱点及检验绝缘抗游离击穿的可靠程度。实际应用中，与串联谐振方式相比，工频并联谐振可减少调频过程中出现失谐造成过电压的风险，试验频率与发电机额定输出频率相同，对绝缘的考核效果更接近实际运行状况。并联谐振采用调节电感方式进行补偿，使其对电压具有良好的受控性以及波形畸变率小等优点。

4. 工频并联谐振的试验原理

由于发电机出口电压较低，一般为15kV~24kV，高压输出60kV的小型试验变压器已能达到交流耐压试验电压的要求，但定子绕组电容较大，单相电容量一般为200nF~400nF。以Un=20kV出口电压发电机为例，其预试交流耐压试验电压为1.5倍Un，即试验电压为30kV时，试验变压器上的电容电流将达到3安培，即对电源容量的需求约为90kVA。这无疑增加了试验变压器的制造成本和绝缘性能工艺要求，同时对现场电源容量要求也较为苛刻。而并联谐振通过电流补偿方式，将可调电抗器并联于试验回路中，通过调节补偿电抗器电感量L，使其在工频下的感抗XL全等于负载电容的容抗XC，此时即实现了完全并联谐振，并得出如图3的并联特性曲线，其中Ir为全谐振后的阻性电流、L为调节到谐振点的电感量。

图3 并联谐振特性曲线

根据公式可知，当XL=XC时，回路电流只与施加电压和回路等效并联电阻有关。全谐振向量图如图4所示：

图4 全谐振阻性回路向量图

从图3和图4可以看出，当调节电感量L到达谐振点时，其回路电流Ix=Ir，回路电流比无补偿时减少△I，从而大大降低了对试验电源的容量要求。

5. 工频并联谐振交流耐压试验的现场实施
   1. 交流耐压的试验条件

由于交流耐压试验对固体有机绝缘具有劣化累积效应，为避免重复耐受过电压使绝缘强度进一步降低，施加电压和耐压时间应严格按照相关标准要求进行：机组在安装完毕且投运前应进行施加电压为（1000+2倍Un）×0.8 kV的交流耐压试验;在每次大修期间应进行试验电压为1.5倍Un的交流耐压试验。试验电压下保持时间均为1分钟。为保证耐压过程对被试发电机其他部件不造成损坏，现场在进行试验前应核实以下条件：

（1）定子绕组绝缘电阻、直流电阻、直流泄漏电流和直流耐压等常规非破坏性试验应已试且合格；

（2）发电机出线与封闭母线间的连接线应拆除，定子三相绕组在中性点的连接线应拆除；

（3）对侧各相封闭母线应保护接地；

（4）发电机出线电流互感器二次端子、发电机内部测温元件及其他检测探头等均应进行保护接地；

（5）交流耐压试验可在通水状态下进行，定子内冷水水质化验应合格,汇水管应可靠接地；

（6）氢冷电机应在充氢前进行试验，严禁在置换氢过程中进行试验。

5.2 工频并联谐振交流耐压试验接线

图5 定子绕组工频并联谐振交流耐压试验接线图

图中  T：调压器        B：试验变压器       CT：电流互感器       A：电流表

L：可调电抗器    V0：交直流分压器   G：被试发电机及其A、B、C三相定子绕组

5.3 试验步骤

（1）空载升压交流耐压试验设备以检查试验设备工作是否正常；

（2）试验前测量单相对地及相间的绝缘电阻；

（3）进行发电机定子绕组交流耐压试验，试验过程中应均匀升压，先加至试验电压的1/3，无异常后再升压至试验全压值，并持续1分钟，同时读取表计数值，耐压过程不应出现异常放电、冒烟或闪络，电流电压测量表计不应出现明显波动；

（4）交流耐压试验完毕后，应再次复测各相的绝缘电阻，且耐压后绝缘电阻值不应存在较大偏差。

5.4 注意事项

（1）由于发电机为容性设备，在交流耐压过程中，容性电流在绕组上会产生漏抗压降，造成实际作用在发电机绕组上的电压值会超过按变比计算的变压器高压侧所应输出的电压值，即产生容升效应。因此在交流耐压试验过程中应使用高压测量装置在变压器高压端直读输出电压；

（2）在施加交流电压过程中，当绕组绝缘存在缺陷并发生闪络击穿时，为避免扩大击穿伤害且能在短时间内熄灭闪络电弧，交流耐压试验设备应具备脱谐保护和瞬态自动熄弧等保护功能。

5结语

大型发电机是电力系统的关键设备之一，保障其可靠稳定运行对整个电力系统有着非常重要的意义。工频交流耐压试验作为考核发电机绝缘性能的关键手段，提升试验设备的安全性能以及对试验方法的不断改进是整个电力试验行业的发展目标。

参考文献：

[1] DL_T474.4-2018  《现场绝缘试验实施导则 交流耐压试验》 中国电力出版社

[2] 汪耕、李希明  等《大型汽轮发电机设计制造与运行》   上海科学技术出版社

[3] 陈天翔、王寅仲 等《电气试验 第二版》   中国电力出版社