大型水内冷水轮发电机绝缘测量失真研究

杨 树 锋

（溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657330）

大型水内冷水轮发电机绝缘测量失真研究

杨 树 锋

（溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657330）

大型水内冷水轮发电机绝缘参数测量经常会遇到各种各样的问题。本文分析了水内冷水轮发电机纯水引水钢管对定子机座绝缘不良会造成定子绕组绝缘参数测量严重失真的原因，提出了将引水钢管与汇水环管短接以便降低引水钢管绝缘要求的改进方案。经试验验证和三峡电站的实践，说明此方案合理、有效、可靠、方便，具有推广价值。

水内冷；水轮发电机；定子绕组；引水钢管；绝缘；测量；失真

0 前言

准确测量发电机定子绕组的绝缘参数，对于发电机能否投入运行以及日后的安全稳定运行都非常重要。水内冷水轮发电机，一般是指定子绕组内部通入冷却水进行冷却的水轮发电机。水内冷发电机的定子绕组绝缘参数，受冷却水与汇流环管等多种因素的影响。

大型水内冷水轮发电机的冷却水，一般称作纯水。纯水冷却系统一般由纯水装置（包括电动水泵、热交换器、离子交换器、机械过滤器等）、进出水总管、汇水环管及被冷却定子绕组等组成。汇水环管一般布置在定子绕组的下部，进、出水汇水环管上设计有很多纯水分支接口，通过聚四氟乙烯塑料软管（以下简称绝缘软管）与被冷却的线棒相连。冷却水要从汇水环管进水管流经一根或数根线棒后回到汇水环管出水管，形成纯水循环冷却回路。当纯水冷却支路串联的线棒数为奇数或布置在定子机座上方的定子绕组汇流环需要水内冷时，就必需要有纯水支路穿越发电机定子机座。根据要求，定子绕组水系统的管道应采用防锈材料(如不锈钢无缝管)制成[1]，因此穿越定子机座的这部分纯水管路一般均选择导电性能良好的不锈钢管材。例如三峡左岸电站6台VGS机组和三峡右岸电站4台东电机组就有这种纯水管路结构。具有此种水内冷管路结构的水轮发电机极易出现发电机定子绕组绝缘参数测量严重失真。

1 分析与改进

1.1 原因分析

以三峡电站此类机组为例，投产初期，三峡电站此类发电机在排除了汇水环管以及冷却水等常规因素的影响之后，常常发现发电机定子绕组绝缘测量结果仍然严重偏低，给运行维护人员造成了极大的困扰。定子绕组绝缘少则只有几兆欧，多则二三十兆欧（均为三相整体对地绝缘，以下同），而且定子绝缘随纯水电导率的减小而提高。以三峡18F定子绝缘测量结果为例（如表1所示），发电机除定子绝缘电阻严重偏低外，吸收比也严重偏小（标准为不小于 1.6）。此类发电机定子绕组绝缘电阻测量结果虽严重偏低，但机组零起升压后，并网运行情况良好。这说明测量结果没有反映发电机定子绝缘的真实情况，即发电机绝缘是良好的，测量结果严重失真。

表1 三峡18F定子绕组绝缘随纯水电导率变化关系

水内冷专用兆欧表测量发电机定子绕组绝缘时的原理接线[2]如图1所示。

图1 水内冷发电机定子绕组绝缘电阻测量原理图

从图1可以看出，若水阻即纯水管路某处对地（机座）绝缘不良，将造成水阻电导电流对地泄漏，从而引起绝缘失真。

同样，三峡此类水内冷水轮发电机纯水汇水环管也布置在定子机座的下部，从汇水环管直接连接到定子线棒下端部的绝缘软管有342根。另外还有8根绝缘软管是从定子绕组的上端部（汇流环）引出，与引水钢管连接，引水钢管从定子铁心背部穿过定子机座后再通过短绝缘软管与纯水汇水环管相连，其实物连接如图2、图3所示。设计中引水钢管通过管夹固定在定子机座中，并与机座绝缘。

图2 定子机座上端部纯水引水钢管支路连接实物图

从图2、图3可以看出，如果纯水引水钢管与机座（地）绝缘不良，在发电机定子绕组绝缘测量中就可能造成通过长绝缘软管的纯水泄漏电流部分或全部流入机座（地），造成绝缘测量结果偏低或严重偏低。此时定子绕组绝缘测量的原理接线可变换为图4所示。

图3 定子机座下端部纯水引水钢管支路连接实物图

图4 通水钢管对地绝缘不良时定子绝缘测量原理接线

每一根引水钢管纯水支路都构成图4中的箭头所示接线。若有引水钢管对机座绝缘RD为零，则该钢管连接的长软管水阻RY会完全与定子绝缘RF并联，如图5所示。

由于定子绕组绝缘远远大于水阻阻值RY，因此此时测量的定子绕组绝缘电阻，实际就是长绝缘软管水阻的阻值。

图5 通水钢管对地绝缘为零时定子绝缘测量原理图

1.2 纯水引水钢管原绝缘设计的缺点和不足

以三峡电站为例。按照原设计，三峡此类水内冷发电机组的纯水引水钢管应与定子机座绝缘。经对三峡此类机组8个纯水引水钢管回路的绝缘软管长度统计，长绝缘软管长度为0.86～1.95m，短绝缘软管长度为0.85m。绝缘软管通纯水后按照长度均匀分压计算，按照预试规程进行定子绕组绝缘测量（按照使用2500V专用兆欧表）和直流泄漏电流及直流耐压试验时引水钢管上的对地电压如表2所示。

表2 定子绕组绝缘测量和直流泄漏电流及直流耐压试验时引水钢管对地电压

从表2可以看出，使用2500V专用兆欧表进行定子绝缘测量时，引水钢管对地电压1kV左右；进行定子绕组直流泄漏电流和直流耐压试验时，引水钢管对地电压最高达到24.9kV，这就要求纯水引水钢管对地绝缘必须能够承受近30kV的电压不击穿。

假设有一通水钢管对地绝缘为 100MΩ（已不算低），用 2500V兆欧表测量定子绝缘电阻，根据表 2引水钢管对地电压取1kV计算，则这根引水钢管的存在就相当于给定子绕组绝缘并联了一个 250MΩ的电阻；若定子绕组绝缘为100MΩ，经计算仅由这一根引水钢管引起的理论测量误差就高达28.6%。既是 8根引水钢管每根对地绝缘均为1000 MΩ，则此时定子绕组绝缘的测量误差仍高达24.2%。如果 8根引水钢管中有一根或数根引水钢管绝缘比100MΩ还要低，则测量误差之大可想而知。做直流泄漏及直流耐压试验时，按照试验电压40kV计算，仅每根引水钢管对地的泄漏电流就高达121～199µA（按照引水钢管对地绝缘100 MΩ计算），8根引水钢管泄漏电流加起来很可能远远超过发电机定子绕组本身的泄漏电流，不仅严重影响测量精度，还很可能造成试验结果误判。

因此，为避免纯水引水钢管绝缘不良对绝缘参数测量结果的严重影响，每根引水钢管对机座绝缘至少应大于3000MΩ（若此时定子绕组实际绝缘仍按照100 MΩ计算，则理论测量误差为9.6%）。但在发电机组长期运行的电、热、振动、油腻等因素的影响下，如此高的绝缘要求是很难实现的，更难在机组长期运行中保持。

由于此种引水钢管绝缘设计要求高，当发现纯水引水钢管对绝缘参数测量有严重影响时，要查找是哪一根纯水钢管存在绝缘问题，是十分困难的。表3是纯水引水钢管在排水前后的一组测量数据，从中可以看出，在有水情况下测量引水钢管的绝缘电阻，实际测量的是纯水的阻值，它不能反映引水钢管对机座的真实绝缘情况（除非引水钢管对机座的绝缘已下降到水阻数量级）。要测量纯水引水钢管对机座（地）真正的绝缘，必须将引水钢管内的纯水全部排掉，非常费工费时。

表3 纯水引水钢管排水前后绝缘对比

综上所述，纯水引水钢管原绝缘设计是很不合理的。

1.3 改进方案

三峡电站此类机组纯水引水钢管回路的长绝缘软管最短长度为0.86m，大于线棒与纯水汇水环管间的绝缘软管长度（0.85m）。因此，长绝缘软管足以承受发电机运行电压和各类试验电压。那么，可考虑将纯水引水钢管与汇水环管用导线连接，即将短绝缘软管水阻Ry短接，使引水钢管成为汇水环管的一部分，如图6所示。这样，与引水钢管连为一体的汇水环管对机座（地）绝缘只要不小于水内冷专用兆欧表测量定子绝缘时对汇水环管绝缘要求值（例如三峡电站常使用的专用兆欧表为不小于3kΩ），就能满足定子绕组绝缘测量要求。

图6 引水钢管与汇水环管短接示意图

此方法把纯水引水钢管原来的高绝缘设计要求转化为很容易做到的低绝缘小指标，且对发电机正常运行及绝缘参数测量精度无任何不良影响，方便、简单、实用。

2 试验验证

根据上述理论分析，定子绝缘严重偏低的水内冷水轮发电机，从定子线棒上端部穿越到定子机座下端部的引水钢管，很可能存在对机座（地）绝缘不良的情况。

以三峡电站17F为例，在纯水没有排空的情况下，对 8根纯水引水钢管的绝缘进行了测量，结果如表 4所示。

从表 4可以看出，17F有两根引水钢管对机座绝缘为零或几乎为零，说明有两个长绝缘软管的水阻已与发电机定子绝缘电阻并联，此时测得的定子绝缘电阻一定比较小。17F定子绕组的绝缘验证试验结果如表5所示。

表4 17F纯水引水钢管绝缘测量值（250V兆欧表，纯水电导率0.484µs/cm）

表5 17F定子绝缘验证试验记录（纯水电导率0.485µs/cm，汇水环管绝缘17kΩ）

分析可知，若不考虑水内冷专用兆欧表本身的测量误差及其他因素的影响，表5中第4次测量结果应是最准确的。表5中的测量误差是以第4次测量值为基准计算的。可以看出，如果不将Ry短接，即使引水钢管对地绝缘没有明显的问题，发电机定子绕组绝缘测量误差也在20%左右。

三峡电站10台此类水内冷水轮发电机组按照短接Ry的方案全部进行了技术改进。从此之后，只要汇水环管对地绝缘合格，就再没有出现过发电机定子绕组绝缘测量严重失真的情况。

3 结论

（1）具有引水钢管穿越定子机座纯水支路的水内冷水轮发电机定子绕组绝缘参数测量严重失真，往往是由于纯水引水钢管对机座（地）绝缘不良造成的。

（2）此类水轮发电机组纯水引水钢管原高绝缘的设计要求，在工程实践中不易做到，更难长久保持，也极不合理。它将造成绝缘参数测量的严重偏差或试验结果误判。此类机组纯水引水钢管愈多，单根钢管对机座的绝缘越小，则测量结果失真愈严重。

（3）在纯水管路不排水的情况下，引水钢管绝缘无法准确测量，因此绝缘失真故障不易排查。若为此专门将纯水管路排水，则费工费时，十分不便。

（4）将纯水引水钢管与纯水汇水环管短接，使其成为汇水环管的一部分，可以大大降低发电机运行及电气试验时对引水钢管的绝缘要求（一般为千欧级），为彻底消除定子绝缘参数测量失真奠定了良好的技术基础。

（5）三峡电站此类水内冷发电机组整改经验说明，此改进方案合理、有效、可靠、方便，具有推广价值。

[1] GB/T 7894-2009水轮发电机基本技术条件[S].

[2] 陈明. 三峡左岸电站水内冷发电机绝缘电阻测量问题分析[J]. 华中电力, 2007, 20(3): 31-34.

审稿人：满宇光

Study of Insulation Measurement Distortion in Large Internal Water Cooled Generator

YANG Shufeng
(Xiluodu HadropowerPlant, 657330 Yongshan, China)

Large internal water cooled generator often faces various problems. This paper analyzes the reason of the measurement distortion in the stator winding insulation which caused by bad insulation between water cooled generator stator’s water diversion pipe and stator frame. And the scheme of connecting the diversion steel pipe and catchment ring pipe to reduce insulation requirement of the diversion steel pipe has been proposed. By test and practice of the Three Gorges Power Station, we have proved that this scheme is reasonable, efficient, reliable, convenient, and worth to spread.

internal water cooling; hydro-generator; the stator winding; steel pipe; insulation;measurement; distortion

TM306

A

1000-3983(2014)03-0053-04

2013-11-27

杨树锋（1964-），1999年毕业于重庆大学电力系统及自动化专业，现从事水电站电气一次技术管理工作，高级工程师。