胡 波，梁智明，皮如貴，謝志輝，周 進(jìn)，黃紹波，李 忠

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

整體真空壓力浸漬絕緣工藝以其整體性好、耐環(huán)境污染性能優(yōu)良、溫升低、能耗和成本低等優(yōu)點(diǎn)已廣泛用于各型交流電動(dòng)機(jī)［1］。而大中型交流發(fā)電機(jī)受成本、工藝、設(shè)備等條件所限，普遍采用成型線棒或線圈嵌線的工藝。

與各型交流發(fā)電機(jī)相比，業(yè)內(nèi)對各型交流電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣考核比較簡單，例如在 GB/T 13957—2008《大型三相異步電動(dòng)機(jī)基本系列技術(shù)條件》中，定子繞組絕緣的檢查項(xiàng)目包括絕緣電阻、匝間沖擊和交流耐壓試驗(yàn)。而非GVPI型發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣考核更加嚴(yán)格，如GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》增加了直流耐壓試驗(yàn)和整機(jī)電暈試驗(yàn)，GB/T 7064—2008《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》也增加了直流耐壓試驗(yàn)和整機(jī)電暈試驗(yàn)。

因?yàn)榻恢绷麟妷涸诶@組端部的分布差異，一般認(rèn)為［2］:對于繞組端部非貫穿性缺陷或裂紋、表面臟污、吸潮、內(nèi)部空隙、樹脂固化不良等，直流試驗(yàn)比交流試驗(yàn)更加靈敏。同時(shí)直流可控過電壓試驗(yàn)具有設(shè)備小、絕緣損傷低、擊穿瞬間的過電壓沖擊小、缺陷模態(tài)清晰等優(yōu)點(diǎn)，因此直流試驗(yàn)通常作為交流試驗(yàn)的預(yù)防性試驗(yàn)進(jìn)行。

與非GVPI型發(fā)電機(jī)相比，GVPI型電機(jī)未采用可控過電壓直流試驗(yàn)項(xiàng)目的主要因素就在于其泄漏電流很小(在預(yù)極化電壓下接近nA級)，而非GVPI型發(fā)電機(jī)的泄漏電流通常高于μA級，因此微電流測試對在制造廠和安裝工地的實(shí)際條件下的測試線路、測試環(huán)境、測試設(shè)備、測試人員和測試標(biāo)準(zhǔn)等均提出了很高的要求，其測試結(jié)果具有較大的不確定性。

本文定量分析了GVPI交流電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣的納安級直流泄漏電流的電流分量，首次建立了nA級測試電流的全電流分量的數(shù)值計(jì)算模型，在真機(jī)定子繞組的電流分量測試結(jié)果基礎(chǔ)上，提出了考核GVPI電動(dòng)機(jī)定子繞組直流泄漏試驗(yàn)的建議，有助于嚴(yán)格考核定子繞組端部絕緣的質(zhì)量。

1 理論模型

1.1 直流試驗(yàn)的電流分量

直流試驗(yàn)時(shí)測試電流包含四種電流分量［3～4］:表面泄漏電流、幾何電容充電電流、絕緣內(nèi)部電導(dǎo)電流和吸收極化電流。其中幾何電容充電電流通常不影響測試，因?yàn)樵? min讀數(shù)時(shí)已經(jīng)衰減至可以忽略。對于粘接良好的環(huán)氧云母體系絕緣來說，絕緣內(nèi)部電導(dǎo)電流幾乎為零。表面泄漏電流基本不隨時(shí)間延長而變化。吸收極化電流Ia與時(shí)間的關(guān)系如式(1)所示［5］。Ia為吸收極化電流，U為外施電壓，k和n為絕緣系統(tǒng)的特征參數(shù)，t為施壓時(shí)間。

因此，直流試驗(yàn)中總測試電流I可以簡化為吸收電流Ia與泄漏電流Il之和，前者隨電壓與時(shí)間變化，后者只與電壓有關(guān)。

1.2 恒定直流電壓階段的電流分量

在進(jìn)行可控直流高壓試驗(yàn)前，定子繞組應(yīng)按照IEEE 95的規(guī)定進(jìn)行恒定直流電壓試驗(yàn)，即預(yù)極化試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓與時(shí)間通常與IEEE 43(idt GB/T 20160—2006)規(guī)定的定子繞組極化指數(shù)測試要求相同。其目的不僅在于測量并判斷繞組是否具備進(jìn)行高壓試驗(yàn)的條件，還要測試并畫出定子繞組絕緣在恒定電壓下的電流與時(shí)間曲線，進(jìn)而擬合計(jì)算得到該絕緣系統(tǒng)在該電壓下的特征參數(shù)。

假設(shè)施加電壓不變，則t時(shí)刻的電流與(t+Δt)時(shí)刻的電流如式(2)所示，同時(shí)不同時(shí)刻的泄漏電流IL相等。

兩邊取對數(shù)可得式(3):

假設(shè)忽略泄漏電流Il，則式(4)成立。

顯然地，n的數(shù)值可由式(5)求解。

以上求解過程不僅可以得到n值，還可知泄漏電流分量是影響總電流與加壓時(shí)間的雙對數(shù)曲線lgI～lgt直線斜率的線性擬合度R2的重要因素。因此，根據(jù)lgI～lgt直線的拐點(diǎn)可以劃分泄漏電流分量的影響范圍，并在其影響較小的區(qū)域(即拐點(diǎn)p左側(cè))擬合直線，如圖1所示。根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合即可得到k和n值。

1.3 階梯升壓方式下各電壓階段的電流

圖1 泄漏電流分量對lgI～lgt曲線的影響

當(dāng)繞組絕緣完成預(yù)極化過程后，分階段緩慢升壓并在各電壓階段上停留一段相等的時(shí)間，讀取并記錄各電壓階段末的電流值。根據(jù)該過程的原理，每個(gè)階段的總電流等于各階段的吸收電流與泄漏電流之和，而各階段的吸收電流由本階段新增電壓引起的吸收電流與前面所有階段各自衰減至該時(shí)間的殘余電流的疊加值，如圖2所示。

圖2 前兩個(gè)電壓階梯的吸收電流分量疊加

圖2中，Ia1為第一階段(預(yù)極化階段)由外施電壓U1引起的t1時(shí)刻的吸收電流，而第一階段的總吸收電流即為Ia1。Ia2為第二階段由相鄰電壓階梯增量ΔU引起的吸收電流，而第二階段總吸收電流應(yīng)包括經(jīng)過Δt衰減的Ia2與經(jīng)過(t1+Δt)衰減的Ia1。以此類推，第p階段的總吸收電流應(yīng)包括Δt時(shí)刻的Iap與以前各電壓階梯增量ΔU引起的殘余衰減電流的總和。

假設(shè)定子繞組絕緣均勻、恒溫且繞組電容量基本不變［6］，則可以認(rèn)為k和n不隨電壓與時(shí)間而變化，各階段電壓下由電壓增量引起的吸收電流可由式(6)求解。

由式(6)可知，當(dāng)任一相鄰電壓階梯的電壓增量相等時(shí)，則由電壓增量引起的吸收電流也相等。據(jù)前文分析可知，各階段電壓下總吸收電流可由式(7)求解。

因此，各電壓階梯下測試得到的總電流與根據(jù)式(7)計(jì)算得到的各階梯下對應(yīng)的總吸收電流之差，即可得到對應(yīng)各階梯下的泄漏電流值。

1.4 吸收電流分量的趨勢

根據(jù)數(shù)列極限的有理運(yùn)算法則［7］，相鄰電壓階梯的吸收電流分量之差與第一階段吸收電流之比，在n值為正的條件［6］下，其極限值為0，如式(8)所示。

這說明吸收電流會(huì)隨電壓升高而逐漸增加但最終將趨于平穩(wěn)。同時(shí)電壓越高，測試電流越大，吸收電流所占比例越小，泄漏電流與測試電流的相關(guān)性越好。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

SL60系列高壓直流發(fā)生器，紋波系數(shù)低于0.1%，美國SPELLMAN高壓電氣設(shè)備公司。

MIT520型絕緣電阻測試儀，美國AVO國際公司。

指針式納安電流表，法國AOIP公司。

2.2 試驗(yàn)線路

按照SL60設(shè)備的懸浮接地配件的接線要求連接線路。

2.3 試驗(yàn)過程

1)分相對定子繞組施加5 kVDC并保持10 min，測試并記錄電流值。

2)從5 kV開始，以電壓階梯1.5 kV，每個(gè)電壓階梯保持1 min的升壓方式，測試并記錄每個(gè)電壓階梯末的電流值。

3)電壓升至24.5 kV并保持1 min，然后降壓至0。

2.4 試驗(yàn)樣品

額定電壓為10 kV的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，采用GVPI絕緣工藝制造。

3 結(jié)果分析

3.1 恒定直流電壓階段的電流分析

圖3 三相繞組在5 kVDC下的I～t時(shí)間曲線

圖4 三相繞組lgI～lgt雙對數(shù)曲線的拐點(diǎn)

由圖3可知，三相繞組在5 kVDC下的I～t曲線非常相近且基本表現(xiàn)為冪函數(shù)的形式。同時(shí)由圖4可知，三相繞組lgI～lgt雙對數(shù)曲線均接近于直線，基本滿足式(1)的形式，特別是拐點(diǎn)的左側(cè)曲線，其線性擬合度R2近似于1，適合于準(zhǔn)確擬合并求解冪函數(shù)的k和n值。

根據(jù)圖4擬合曲線可以測試并計(jì)算得到第一電壓階段的各項(xiàng)參數(shù)，如表1所示。三相繞組的各項(xiàng)參數(shù)均非常接近，其中n值均符合環(huán)氧絕緣體系1.0 ～1.9的推薦范圍［8］。

表1 恒定電壓階段的電流分量數(shù)值

3.2 階梯升壓階段的電流分析

分析圖5～圖7所示三相繞組絕緣電流分量特性可知:

圖5 U相繞組階梯升壓過程中的I～U曲線

圖6 V相繞組階梯升壓過程中的I～U曲線

圖7 W相繞組階梯升壓過程中的I～U曲線

1)總電流與泄漏電流相關(guān)性較好，具有基本一致的I～U趨勢，在高電壓區(qū)域該趨勢更加明顯。這說明在工程應(yīng)用中可使用I～U曲線代替Il～U曲線進(jìn)行數(shù)值考核與結(jié)果分析，進(jìn)而極大地簡化該試驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理與分析的工作量。

2)吸收電流隨電壓升高而增加，具有趨于平穩(wěn)的趨勢。這與前文的數(shù)列極限估算一致。

3)三相繞組的I～U曲線與Il～U曲線均基本一致，考慮到三相繞組之間電流特征的差異與溫度和濕度等無關(guān)，而只與絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣狀況有關(guān)，因此，三相繞組I～U曲線的差異可以作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。

4)I～U曲線接近一條直線，這意味著絕緣系統(tǒng)比較符合純阻容元件的伏安特性，無附加極化電流分量的存在，即絕緣內(nèi)部無分層、浸漬不良、固化不徹底、老化、端部放電等現(xiàn)象。因此，相鄰電壓點(diǎn)下的電流比值也可以作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。

4 考核建議

1)記錄并繪制I～U曲線，并據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與結(jié)果判斷。

2)三相繞組I～U曲線的差異可以作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。

3)每相繞組I～U曲線中相鄰電壓點(diǎn)下的電流比值(或I～U曲線的斜率)可以作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。

5 結(jié)語

1)首次建立了nA級測試電流的全電流分量的數(shù)值計(jì)算模型，搭建了適用于nA級直流泄漏電流的測試系統(tǒng)。

2)三相繞組在5kVDC下的I～t曲線非常相近且基本表現(xiàn)為冪函數(shù)的形式。

3)Il為I的主要成分，I與Il相關(guān)性較好且具有基本一致的趨勢。

4)建議將I～U曲線作為考核試驗(yàn)結(jié)果的依據(jù)。

［1］顧家華.電機(jī)繞組真空連續(xù)浸漬絕緣工藝簡析［J］.微特電機(jī)，2005，30(5):35 ～38.

［2］成永紅.電力設(shè)備絕緣檢測與診斷［M］.中國電力出版社，2001，106 ～117.

［3］GB/T 20160-2006，旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣電阻測試［S］.

［4］Greg C.Stone.旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣-設(shè)計(jì)評估老化試驗(yàn)修理［M］.中國電力出版社，2011，193～200.

［5］李紹儒.大容量發(fā)電機(jī)直流泄漏試驗(yàn)的外推法［J］.電力建設(shè)，1986，(12):70 ～73.

［6］IEEE std 95-2002，IEEE Recommended Practice for Insulation Testing of AC Electric Machinery(2300V and above)With High Direct Voltage［S］.

［7］西安交通大學(xué)高等數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)(上冊)［M］.人民教育出版社，1979，26 ～37.

［8］McDermid.W.Dielectric absorption characteristics of generator stator insulation.Conference record of the 2000 IEEE international symposium on electrical insulation，Apr.2000，pp516～519.