李建君

(銅山華潤電力有限公司，江蘇 徐州 221000)

爐水循環(huán)泵電機(jī)耐壓試驗分析

李建君

(銅山華潤電力有限公司，江蘇 徐州 221000)

分析了交、直流耐壓試驗在傳統(tǒng)的高壓電機(jī)試驗中的作用，以及在交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組試驗中的作用和表現(xiàn)，結(jié)合爐水循環(huán)泵電機(jī)的高壓繞組材質(zhì)及運(yùn)行工況，說明直流耐壓試驗不適用于爐水循環(huán)泵電機(jī)的試驗，而交流耐壓試驗是發(fā)現(xiàn)爐水循環(huán)泵電機(jī)缺陷的有效手段，為電氣試驗人員了解爐水循環(huán)泵電機(jī)試驗項目的制定依據(jù)提供參考。

爐水循環(huán)泵電機(jī)；直流耐壓；交流耐壓；交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組

0 引言

鍋爐啟動系統(tǒng)再循環(huán)泵(BCP，以下簡稱“爐水循環(huán)泵”)適用于300—1 200 MW亞臨界、超(超)臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，為鍋爐高溫高壓爐水提供流動壓頭，保證鍋爐水循環(huán)，具有提高鍋爐熱效率以及在低負(fù)荷時調(diào)峰的能力，是強(qiáng)制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐的關(guān)鍵配套設(shè)備。超(超)臨界鍋爐爐水循環(huán)泵可確保鍋爐在啟動及低負(fù)荷運(yùn)行階段、鍋爐達(dá)到最低負(fù)荷之前的爐膛水冷壁的安全；確保在啟動和低負(fù)荷運(yùn)行期間保持水冷壁可靠冷卻和流動穩(wěn)定，最大限度地回收爐水和熱量，提高啟動的經(jīng)濟(jì)性。

爐水循環(huán)泵運(yùn)行時，泵頭要承受20 MPa左右的爐水壓力和300 ℃以上的爐水溫度。由于泵頭承受的爐水壓力高，無法用機(jī)械密封方式隔離電機(jī)和泵頭，導(dǎo)致所配高壓電機(jī)本體承受高溫高壓。因電機(jī)內(nèi)部允許運(yùn)行溫度只有60 ℃，只能采用濕定子結(jié)構(gòu)。電機(jī)絕緣繞組采用德國NSW公司生產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）型導(dǎo)線，其熱量需依靠周圍流動的無鹽水帶走。以下就交直流耐壓試驗對于爐水循環(huán)泵電機(jī)的適用性進(jìn)行探討。

1 常規(guī)高壓電機(jī)直流耐壓和交流耐壓試驗

電機(jī)的電氣預(yù)防性試驗是保證電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性的重要措施。通過試驗可以掌握電機(jī)的絕緣情況，及早發(fā)現(xiàn)缺陷，以便及時進(jìn)行維護(hù)與檢修，防止電機(jī)在運(yùn)行中絕緣被擊穿而造成事故。交、直流耐壓試驗是預(yù)防性試驗中較為重要的2種，是檢驗電機(jī)繞組絕緣耐電強(qiáng)度、絕緣狀況，發(fā)現(xiàn)局部缺陷的有效方法。

直流耐壓和交流耐壓試驗是破壞性試驗，這類試驗?zāi)苡行Оl(fā)現(xiàn)危害性較大的集中性缺陷，是電機(jī)預(yù)防性試驗不可缺少的環(huán)節(jié)，對預(yù)防絕緣事故的發(fā)生起著重要的作用。同時，直流耐壓試驗和交流耐壓試驗因其性質(zhì)的差異，在電機(jī)預(yù)防性試驗中擔(dān)負(fù)著不同的作用。

1.1 電機(jī)直流耐壓試驗的原理和作用

電機(jī)直流耐壓試驗是電機(jī)在高于幾倍工作電壓的直流電壓下,經(jīng)歷一定時間的耐電強(qiáng)度試驗。在直流電壓加壓過程中，電機(jī)定子線圈絕緣介質(zhì)發(fā)生電子式極化和離子式極化，形成充電電流Ic。由于這2種極化過程極短，因此充電電流在施加直流電壓后很快衰減為0。而絕緣介質(zhì)中的偶極子在直流電壓下發(fā)生偶極子極化，并且由于絕緣介質(zhì)是用不同材料復(fù)合而成，或者絕緣材料是不均勻的，還會產(chǎn)生夾層極化，這2種極化形成了吸收電流Ia，它比充電電流Ic衰減慢得多。另外，絕緣介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場的作用下發(fā)生移動形成傳導(dǎo)電流Ig，它在直流電壓穩(wěn)定后很快就趨于恒定。上述3種電流及電機(jī)絕緣在直流耐壓下的總電流I，隨時間的變化曲線如圖1所示。

進(jìn)行直流耐壓試驗時，在加壓一段時間后，直流電壓發(fā)生器的微安表指示穩(wěn)定于一定數(shù)值，這個數(shù)值等于或近似于傳導(dǎo)電流；這時電機(jī)絕緣中的電壓分布與電阻成正比，與電容無關(guān)?？梢?，直流耐壓試驗反映的是分層介質(zhì)的電阻絕緣情況。由于在直流耐壓試驗時不存在電容電流，只有很小的傳導(dǎo)電流，故沿著絕緣表面沒有顯著的電壓降；且電壓分布均勻，不論離鐵芯多遠(yuǎn)，端部導(dǎo)線與絕緣表面間的電位差都是相當(dāng)高的，這樣就能比較容易地發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部絕緣的缺陷。

對于絕緣良好的電機(jī)，其傳導(dǎo)電流與外加直流電壓成線性關(guān)系。但實際上，傳導(dǎo)電流只是在一定電壓范圍內(nèi)與外加直流電壓成線性關(guān)系。當(dāng)電壓超過UA后，離子活動加劇，電流增長比電壓增長快，電機(jī)絕緣下降；當(dāng)電壓大于UB后，電流急劇增大，絕緣電阻急劇下降，發(fā)生絕緣擊穿。具體關(guān)系如圖2所示。

圖1 直流電壓下通過絕緣的電流變化曲線

圖2 直流電壓下傳導(dǎo)電流、絕緣電阻與電壓的關(guān)系

開展直流耐壓試驗時，在一定電壓范圍內(nèi)，絕緣良好的電機(jī)伏安特性近似于直線；當(dāng)電機(jī)存在缺陷或受潮時，傳導(dǎo)電流將急劇增加，伏安特性曲線就不再呈直線了。

1.2 電機(jī)交流耐壓試驗的原理和作用

電機(jī)交流耐壓試驗是對電機(jī)施加一高于運(yùn)行中可能遇到的過電壓數(shù)值的工頻電壓，并經(jīng)歷一定時間，以檢查電機(jī)的絕緣水平。由于交流耐壓試驗是施加工頻電壓，在電機(jī)的絕緣中極化過程占據(jù)了主導(dǎo)作用，電壓的不斷變化使傳導(dǎo)電流相對充電電流和吸收電流在數(shù)值上小得多，這相當(dāng)于施加工頻電壓給定子線圈對地的電容進(jìn)行反復(fù)充放電的過程。因此，這時電機(jī)絕緣中的電壓分布與電容成反比，可見交流耐壓試驗反映的是分層介質(zhì)的電容絕緣情況。

在對電機(jī)開展交流耐壓試驗時，試驗電壓一般比運(yùn)行電壓要高出很多，而頻率與運(yùn)行電壓相同，這樣交流耐壓試驗?zāi)軌蚋玫啬M電機(jī)絕緣在實際運(yùn)行中承受的過電壓情況，使絕緣經(jīng)受更嚴(yán)峻的考驗，從而更有效地發(fā)現(xiàn)電機(jī)絕緣的薄弱點(diǎn)。這也是保證電機(jī)絕緣水平，避免電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生絕緣事故的重要手段。

由于在交流耐壓試驗中端部導(dǎo)線與絕緣表面存在分布電容，端部導(dǎo)線的電容電流通過分布電容沿著絕緣表面流向接地的定子鐵芯，這樣在絕緣表面便產(chǎn)生了顯著的電壓降。離鐵芯愈遠(yuǎn)的端部導(dǎo)線與絕緣表面間的電位差就愈小，因此不能有效地發(fā)現(xiàn)端部絕緣的缺陷。交流耐壓試驗電場強(qiáng)度集中在槽部，更接近于電機(jī)工作狀況，它能夠強(qiáng)有力地檢出槽部缺陷。

綜上所述，由于直流耐壓與交流耐壓的反應(yīng)機(jī)理不同，所以在電機(jī)的絕緣強(qiáng)度檢測中所起的作用也不同。直流耐壓試驗容易發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的絕緣缺陷，交流耐壓試驗容易發(fā)現(xiàn)電機(jī)槽部和槽口的缺陷。因此,交、直流耐壓試驗已成為不能互相替代的試驗，應(yīng)該同時進(jìn)行。

2 爐水循環(huán)泵電機(jī)絕緣繞組耐壓分析

6 kV電壓等級的爐水循環(huán)泵電機(jī)繞組一般采用進(jìn)口的濕定子電機(jī)專用交聯(lián)聚乙烯絕緣尼龍護(hù)套線作為繞組線，其下線采用水潤滑環(huán)圈穿繞，端部綁扎固定，工作時全部浸在無鹽水中。

2.1 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組直流耐壓試驗存在問題

高電壓試驗技術(shù)的一般原則：試品上所施加的試驗電壓場強(qiáng)必須模擬高壓電器的運(yùn)行工況；高電壓試驗得出的通過或不通過的結(jié)論說明高壓電器中的薄弱點(diǎn)是否會給今后的運(yùn)行帶來危害。這就意味著試驗中的故障機(jī)理應(yīng)與電器運(yùn)行中的機(jī)理有相同的物理過程。按照此原則，爐水循環(huán)泵交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組進(jìn)行直流耐壓試驗存在的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 直流電壓下，電場強(qiáng)度是按照電阻率分布的，而交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組絕緣層中的材料含有多種成分，其電阻率分布是不均勻的，同時電阻率受溫度等因素影響比較大，所以在直流電壓下，交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組絕緣層中的電場分布也是不均勻的。這就可能在直流試驗過程中出現(xiàn)部分絕緣層電場很強(qiáng)，另一部分絕緣層電場卻比較弱的情況，導(dǎo)致局部絕緣擊穿。

(2) 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組在直流電壓下會產(chǎn)生“記憶”效應(yīng)，存儲積累單極性殘余電荷。一旦直流耐壓試驗引起“記憶性”，需要很長時間才能將這種直流電壓釋放。繞組如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運(yùn)行，直流電壓便會疊加在工頻電壓峰值上，使得繞組上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定電壓，從而有可能導(dǎo)致繞組絕緣擊穿。

(3) 由于空間電荷效應(yīng)，在進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組直流耐壓試驗時，絕緣中的實際電場強(qiáng)度最高可達(dá)其工作電場強(qiáng)度的十幾倍，所以即使繞組在直流耐壓試驗時不發(fā)生擊穿，也會引起絕緣的嚴(yán)重?fù)p傷。

(4) 因直流耐壓試驗所施加的直流電壓電場強(qiáng)度分布狀況與運(yùn)行中的交流電壓電場強(qiáng)度分布狀況不同，直流耐壓試驗并不能模擬運(yùn)行狀態(tài)下繞組承受的過電壓，也不能有效發(fā)現(xiàn)繞組本身及繞組接頭和施工工藝上的缺陷。

(5) 直流耐壓試驗對交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組的影響有一定的積累效應(yīng)，能加速絕緣老化，且試驗時易發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。

(6) 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組一個明顯的弱點(diǎn)是絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹枝，水樹枝在直流電壓下會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲Γ纬煞烹?，加速絕緣劣化，導(dǎo)致運(yùn)行后在工頻電壓作用下形成絕緣擊穿。而水樹枝在單純的交流工作電壓下還能保持相當(dāng)?shù)哪蛪褐担⒛鼙３忠欢螘r間。這樣直流耐壓試驗不僅不能有效發(fā)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組中的水樹枝等絕緣缺陷，而且由于空間電荷的作用，還容易造成繞組在交流電壓作用下某些本不應(yīng)發(fā)生問題的地方在投運(yùn)不久后發(fā)生絕緣擊穿故障。

實踐也表明，直流耐壓試驗不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下絕緣的某些缺陷。在交流電壓下絕緣最易發(fā)生擊穿的地方，在直流電壓下往往不能擊穿。直流電壓下絕緣擊穿往往發(fā)生在交流工作條件下絕緣平時不發(fā)生擊穿的地方。

2.2 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組交流耐壓試驗的作用

由于交流耐壓試驗狀況接近繞組的運(yùn)行工況，所施加的耐壓電壓值較低且耐壓時間適當(dāng)加長，更能反映繞組絕緣的狀況以及發(fā)現(xiàn)絕緣中的缺陷。交流耐壓試驗?zāi)苣M交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組的運(yùn)行場強(qiáng)狀態(tài)，符合電壓實際波形，能達(dá)到所期望的檢驗效果。因此，施加交流耐壓才能真實地考核交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組制造質(zhì)量，才能較有效地檢出由于材質(zhì)不良、工藝不當(dāng)?shù)仍斐傻慕^緣缺陷。

2.3 交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組端部絕緣的檢驗

傳統(tǒng)高壓電機(jī)端部的絕緣強(qiáng)度通常通過直流耐壓試驗來進(jìn)行考驗，以發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的缺陷。由于爐水循環(huán)泵電機(jī)采用濕定子電機(jī)專用交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組線，故不能通過直流耐壓試驗檢驗其絕緣強(qiáng)度。通過改善下線工藝，采用水潤滑環(huán)圈穿繞，端部綁扎固定，減少可能造成的端部表面劃痕；工作時全部浸在水中，保證了電機(jī)端部和槽部對地電位差的一致，使施加交流耐壓時保證了端部與槽部和槽口的電壓相同。通過以上措施后，其端部絕緣強(qiáng)度的檢驗可以和槽部和槽口絕緣強(qiáng)度檢驗一并通過交流耐壓試驗進(jìn)行。

綜上所述，對于采用交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組的爐水循環(huán)泵電機(jī)，用直流耐壓試驗來檢驗下線及運(yùn)行質(zhì)量，是無法保證爐水循環(huán)泵電機(jī)運(yùn)行可靠性的；采用交流耐壓試驗才是最有效、最直接的方法，其對判斷交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組能否投入運(yùn)行具有決定性的意義，也是保證設(shè)備絕緣水平、避免發(fā)生絕緣事故的重要手段。

3 結(jié)束語

爐水循環(huán)泵電機(jī)采用濕定子，為非常規(guī)高壓電機(jī)。在修后試驗和交接試驗時應(yīng)參考廠家的要求，或者按照《電站爐水循環(huán)泵電機(jī)檢修導(dǎo)則》只進(jìn)行交流耐壓試驗，而不能套用電氣交接試驗的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行直流耐壓試驗。

1 唐興祚．高電壓技術(shù)[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，1999.

2 王川波．高壓電氣絕緣及測試[M]．北京：中國水利水電出版社，1998.

3 嚴(yán) 璋．電氣絕緣在線檢測技術(shù)[M]．西安：西安交通大學(xué)，2002.

4 國家能源局．DL/T 1132—2009電站爐水循環(huán)泵電機(jī)檢修導(dǎo)則[S]．北京：中國電力出版社，2009.

2017-03-02；

2017-05-21。

李建君(1973—)，男，工程師，主要從事火力發(fā)電設(shè)備調(diào)試、技改、檢修工作，email：shanghai29745@163.com。