嶺澳核電站發(fā)電機局放問題淺析

李 祚 濱

（中廣核工程有限公司，廣州 深圳 518124）

1 局部放電概述

嶺澳核電站的發(fā)電機由中國東方電氣集團有限公司所屬東方電機有限公司（東電）制造，技術(shù)從法國ALSTOM引進。嶺澳核電站的3號發(fā)電機是東電首臺國產(chǎn)化，原型機在法國有近30年的運行業(yè)績。

因制造工藝以及材料本身的均勻性等因素，高電壓絕緣系統(tǒng)內(nèi)部的間隙以及絕緣的表面都有可能發(fā)生局部放電。發(fā)電機定子繞組長期受高溫、高電壓、振動、油污、潮濕以及化學(xué)物質(zhì)的綜合作用，繞組的絕緣材料將會逐漸老化，絕緣性能也將隨之惡化，最終導(dǎo)致發(fā)電機定子繞組絕緣故障。為了降低絕緣故障給機組帶來的潛在風(fēng)險，除了絕緣材料的改進和設(shè)計制造工藝水平的提高，發(fā)電機絕緣監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用也是有效的防范途徑。通過在線監(jiān)測發(fā)電機定子繞組絕緣的局部放電，可及時評價發(fā)電機定子繞組的絕緣狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，避免發(fā)電機惡性事故的發(fā)生。

汽輪發(fā)電機局部放電在線測量是指發(fā)電機在運行狀態(tài)下進行的局部放電測量，是在發(fā)電機承受著額定電壓、不同負(fù)載和不同工況的情況下測量到的。其優(yōu)點在于測量結(jié)果是在定子繞組承受著包括電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力等共同作用下獲得的，這些應(yīng)力是在離線(機組停機)狀態(tài)測試時無法施加的。因此，如果測量方法合適，對發(fā)電機實施局部放電在線測量，將能及時評價定子繞組的絕緣狀態(tài)，正確評估發(fā)電機是否具有持續(xù)可靠運行的能力。

2 嶺澳核電站發(fā)電機局放試驗描述

發(fā)電機的有關(guān)參數(shù)為：

型號：TA1100-78 額定容量：1278MVA

功率因數(shù)：0.9 頻率：50Hz

額定功率：1150MW 轉(zhuǎn)速：1500r/min

定子電壓：24kV 制造時間：2008年

（注：定子線棒和出線套管由ALSTOM制造）

表1 試驗設(shè)備清單

試驗遵循的標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）DL/T492-2009《發(fā)電機環(huán)氧云母定子繞組絕緣老化鑒定導(dǎo)則》

（2）GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》

（3）GB/T 20833-2007《旋轉(zhuǎn)電機定子線棒及繞組局部放電的測量方法及評定導(dǎo)則》

（4）IEC60034-27《旋轉(zhuǎn)電機定子線圈絕緣非在線局放測量》

（5）IEEE Std 1434-2000《旋轉(zhuǎn)電機局放測量試用導(dǎo)則》

圖1 定子繞組局部放電試驗原理圖

表2 3號發(fā)電機定子繞組局部放電試驗結(jié)果

2010年5月，由廣東電網(wǎng)電力科學(xué)研究院（原廣東中試所）對3號發(fā)電機進行了局部放電試驗，試驗結(jié)果為“不合格”，由此引起 3號發(fā)電機組是否可以起動、升電壓、并網(wǎng)等重大問題的爭議——電站的運營方認(rèn)為發(fā)電機的主絕緣系統(tǒng)存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，發(fā)電機不能帶電壓、更不能并網(wǎng)，屬于顛覆性的問題。為此，2010年6月專門邀請了國內(nèi)有關(guān)專家召開評審會，討論以“3號發(fā)電機的局部放電試驗”為主的“嶺澳二期 3號發(fā)電機遺留問題”。會議沒有同意上述“不合格”的結(jié)論，但是對局放試驗中出現(xiàn)的“拐點”（局放量在線電壓附近突然增高）表示特別關(guān)注。隨后，仍然由廣東中試所在4號發(fā)電機上進行了多次局部放電試驗。但是，試驗結(jié)果未能達(dá)到預(yù)期的目的（確定引起“拐點”的零部件），只是確定了產(chǎn)生“拐點”的部位在過渡引線至出線套管區(qū)域（定子線圈之外的部位）。

為了查找局放出現(xiàn)“拐點”的根本原因，2010年 6月23日，公司主管領(lǐng)導(dǎo)主持會議討論3號發(fā)電機局放試驗問題。決定請東電支持與配合，由廣東中試所對正在東電工廠制造的紅沿河1號發(fā)電機進行（相同的）局部放電試驗。2010月7月2日，在紅沿河1號發(fā)電機上進行局部放電試驗，由廣東中試所的原班人員使用相同儀器表、遵照相同的試驗程序進行。試驗結(jié)果確定了引起“拐點”的零部件為出線套管，并非主絕緣系統(tǒng)。

2010年7月15日，3號機組并網(wǎng)。各種負(fù)載下在線監(jiān)測的局部放電量最大值小于1000 pC。

圖2 電壓與放電量曲線

通過觀察曲線可知，電壓在15kV以前局放和電壓基本保持著線性關(guān)系。當(dāng)電壓從17kV開始上升以后局放量增加明顯，其中A相增加較為明顯。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T20833－2007的規(guī)定，上述試驗結(jié)果數(shù)據(jù)不符合要求。但是，IEC60034-27和即將頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB-汽輪發(fā)電機狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用導(dǎo)則）卻沒有如此結(jié)論，即“如果測量方法合適，對發(fā)電機實施局部放電在線測量，將能及時評價定子繞組的絕緣狀態(tài)，正確評估發(fā)電機是否具有持續(xù)可靠運行的能力?！?/p>

3 問題分析

在試驗準(zhǔn)備和試驗進行期間，各有關(guān)部門均給予了極大關(guān)注。試驗結(jié)果出來后，引來各種評價與討論。

根據(jù)發(fā)電機的結(jié)構(gòu)分析，可能產(chǎn)生局部放電的部位包括：定子線棒、繞組的槽內(nèi)固定、繞組的端部、過渡引線、出線套管、試驗裝置等。針對這些放電的可能性，我們下面采用“排除法”逐個討論。

（1）定子線棒

這里主要是指主絕緣，從發(fā)電機制造廠的單根線棒局放測試結(jié)果來看，雖然抽樣 10%且單根線棒間的局放值差異較大，但是在0～48kV試驗電壓值范圍內(nèi)沒有局放值突然增大的拐點記錄；

（2）繞組的槽內(nèi)固定

對于定子已經(jīng)在制造廠完成下線及線棒的固定，然后整體運輸、整體安裝、沒有運行過的機組，存在槽內(nèi)線棒固定松動的可能性極小；

（3）繞組的端部

采用全半導(dǎo)體高阻（漆）接地的絕緣結(jié)構(gòu)，對于尚未運行過的新機且沒有受到污染的記錄，產(chǎn)生局放的可能性極??；

（4）出線套管

ALSTOM原設(shè)計的出線套管為卷包絕緣結(jié)構(gòu)（有別于瓷套管），應(yīng)當(dāng)具有比線棒主絕緣更加良好的電氣性能。嶺澳核電站發(fā)電機的出線套管全部從法國進口；

該大學(xué)負(fù)責(zé)招生的克利斯多夫·古登塔格說:“我理解學(xué)生們的心情。四年前，我女兒上學(xué)前班被拒，我都很痛苦，更何況是經(jīng)過各種努力的高中生和他們的家長呢。”

（5）過渡引線

過渡引線除了主絕緣之外還有釬焊的電連接部位，該部位采用了開口朝下的絕緣盒作為保護。因此，在整個定子繞組的絕緣結(jié)構(gòu)中形成了“開啟點”。由于沒有采取全封閉式的絕緣，導(dǎo)致繞組主絕緣存在不連續(xù)，在試驗條件下（離線、空氣）可能成為放電點；

（6）試驗裝置

按照 IEC60034-27的要求，由于局放試驗的敏感性對試驗裝置的電源、電纜、耦合單元、高壓接頭等均有很高的要求，并要求整套試驗裝置的局放值應(yīng)當(dāng)小于 100pC。根據(jù)廣東電科院的試驗報告描述，試驗裝置滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

從制造廠對單根線棒的局放測量與電壓曲線可知，從0～48kV局放和電壓基本成線性。良好的絕緣在其正常工作電壓范圍內(nèi)，局放和電壓有一定的線性關(guān)系。本次局放試驗曲線存在劇烈的突增現(xiàn)象，初步判斷定子繞組中某個部位的絕緣出現(xiàn)了劇烈的放電。

發(fā)電機局放主要可分為主絕緣內(nèi)部局放（氣泡、脫層等）和主絕緣外部局放（線棒與槽間、鼻端異相間、出線套管等）。從廠家試驗到48kV局放都有線性而本機在近 20kV時就出現(xiàn)突增這兩個不吻合現(xiàn)象可知，局放突增的原因不是線棒本身，是線棒的外部局放。

為了驗證上述推測，決定對4號發(fā)電機進行局放試驗。由于4號發(fā)電機具備與3號發(fā)電機完全相同的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和制造工藝，具有可比性。在隨后獲得的試驗結(jié)果表明，情況完全相同。這就說明，放電的部位一定在定子線棒之外的某個部位，包括過渡引線和出線套管。試驗結(jié)果如表3。

4 驗證試驗

表3 4號發(fā)電機定子繞組局部放電試驗結(jié)果

圖3 局部放電量趨勢圖

首先，進行三相單定子繞組（僅包含定子線棒及12根端環(huán)引線）局部放電量的測量以及A相繞組連同下引線及套管的局放量的測量。測量數(shù)據(jù)表4所示。

從上述試驗數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)電壓上升到19.2 kV時開始增大并形成拐點，達(dá)到24kV時陡然上升。為了進一步查清局部放電量過大的原因，對兩個單個套管進行了局部放電試驗。結(jié)果如表6。

由此可知，由于出線套管的局放量比發(fā)電機本體大的多，帶上出線套管后所測量到的局放量大部分是由出線套管造成的。試驗結(jié)果表明，在空氣狀態(tài)下局放拐點是由出線套管引起的，并非定子線圈絕緣或固定不良所致。至此，嶺澳二期發(fā)電機局放“超標(biāo)”的原因得以確定，消除了3號發(fā)電機順利投運的障礙。

表4 單定子繞組局部放電試驗結(jié)果

表5 單定子繞組（B相）局部放電試驗結(jié)果

圖4 A、C兩相定子繞組的局部放電量趨勢圖

同時，不同的試驗條件（包括工廠條件和現(xiàn)場條件）下的試驗影響因素可能不同，試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)難以進行比較。此外，ALSTOM工廠試驗采用的方法是測量一段時間內(nèi)的電荷的流量（單位 dB），而我們測量的是局放波形的峰值（單位 pC），不同試驗方法下的試驗數(shù)據(jù)也不具備可比性。

圖5 A相繞組連同下引線及套管的局部放電量趨勢圖

表6 套管局部放電試驗結(jié)果

圖6 套管局部放電量趨勢圖

5 結(jié)論

（1）根據(jù)嶺澳3號、4號機的四次試驗以及紅沿河1號機定子繞組各個部件的局放測試結(jié)果分析，局放具有明顯的共性以及數(shù)據(jù)的一致性。由此可以斷定，局放偏高來源于出線套管。

由于全部設(shè)計源自ALSTOM，而且該機型已經(jīng)有30余年的實際運行經(jīng)驗，沒有因局放導(dǎo)致事故的報道。因此，發(fā)電機運行可靠性是有保證的。

（2）按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，發(fā)電機的局放問題是設(shè)備本身是否足夠滿足長期健康運行的問題，不涉及機組是否可以投運的問題。目前的局放問題是屬于電站長期運行監(jiān)測特性狀態(tài)的問題，不屬于即時的安全性問題。而且，充氫和不充氫狀態(tài)下測出的局放量可能相差很大，充氫后有利于起暈電壓的提高。GB/T20833-2007《旋轉(zhuǎn)電機定子線棒及繞組局部放電的測量方法及評定導(dǎo)則》其測量方法與IEC60034-27，IEEE std 1434-2000是完全相同的。局部放電的評價標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國內(nèi)十幾家制造廠和試驗單位的試驗結(jié)果統(tǒng)計得到，雖然統(tǒng)計中未遇到像嶺奧核電那樣高電壓，大容量機組仍具有參考價值。

高壓套管的性能及試驗應(yīng)遵循GB/T4109《交流電壓高于1000V的絕緣套管》，該標(biāo)準(zhǔn)采用IEC61037第6版。該標(biāo)準(zhǔn)中表6明確規(guī)定對戶外變壓器絕緣套管局放試驗應(yīng)用在線電壓UN進行，而對發(fā)電機用戶內(nèi)電容式套管局放試驗應(yīng)在下進行和評估，也就是拐點不能在相電壓下出現(xiàn)就行。因此解讀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。

通過對3臺機組的局放測試和問題剖析，提高了電站和制造廠人員對嶺澳（TA1180-78型）發(fā)電機固有特性的認(rèn)識，為嶺澳4號發(fā)電機以及后續(xù)項目（紅沿河、寧德等）發(fā)電機的安裝、調(diào)試以及接收試驗，積累了經(jīng)驗。加深了國內(nèi)專家對核電發(fā)電機局放試驗的重視，啟發(fā)了對若干標(biāo)準(zhǔn)的思考和再認(rèn)識，有利于行業(yè)認(rèn)識水平的提高。

在今后的運行中，應(yīng)當(dāng)遵照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定連續(xù)記錄局放檢測值。一旦出現(xiàn)“突變”或者異常的“拐點”，必須分析產(chǎn)生的原因、找到問題所在，采取必要的措施予以恢復(fù)。

[1]DL/T492-2009, 發(fā)電機環(huán)氧云母定子繞組絕緣老化鑒定導(dǎo)則[S].

[2]GB 50150-2006, 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB/T 20833-2007, 旋轉(zhuǎn)電機定子線棒及繞組局部放電的測量方法及評定導(dǎo)則[S].

[4]IEC60034-27, 旋轉(zhuǎn)電機定子線圈絕緣非在線局放測量[S].

[5]IEEE Std 1434-2000, 旋轉(zhuǎn)電機局放測量試用導(dǎo)則[S].

[6]GB/T4109-2008, 旋轉(zhuǎn)電機局放測量試用導(dǎo)則[S].