白鶴灘左岸電站定子繞組交流耐壓試驗電源配置

鄭少平，張輝琴，余珍昌

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810003）

1 引言

白鶴灘左岸電站發(fā)電機具有電壓高、對地電容大的特點，定子繞組交流耐壓需要的電源容量大。在定子下層繞組分瓣耐壓和完成整體絕緣后的分相耐壓前，預先計算試驗所需的電源電流、容量等參數，合理選擇400 V 交流電源和試驗設備，可以做到一次耐壓成功，避免周折。

2 發(fā)電機主要參數

額定容量1 000 MW，額定功率因數0.9，額定電壓24 kV，定子繞組單相繞組對地電容3.53 μF，定子繞組線槽數810 槽。

3 定子下層繞組下線后的分瓣耐壓

3.1 分瓣耐壓數據理論計算

定子繞組的每相對地電容和每相的繞組數可以近似認為成正比，每相的繞組數為2×810/3 槽，則每根繞組的對地電容為3.53 μF/（2×810/3）=0.006 537 μF。

假定分2 瓣對定子下層繞組進行耐壓，則每瓣的對地電容為405×3.53 μF/（2×810/3）=2.647 5 μF。根據GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》可知，定子下層繞組耐壓的標準是UT=2.5UN+2 kV=2.5×24+2=62（kV）。已知耐壓繞組的電容和電壓，計算2 瓣相應的高壓電流為IH=ωUHC=314×62×103×2.647 5×10-6=51.54（A），由此可以計算出高壓容量SH=UTIH=62×103×51.541=3 195.6(kVA)。假定水輪發(fā)電機定子繞組交流耐壓的諧振品質因數為12（經驗值），品質因數也可以近似認為是高壓容量與輸入低壓容量之比，則需要的低壓容量SL=SH/12=3 195.6/12=266.3（kVA），低壓電源采用400 V，則低壓電流IL=SL/UL=266.3/0.4=665.7（A）。

白鶴灘左岸電站首臺發(fā)電機（1 號機組）下層繞組耐壓時，試驗電源取自主安裝間，距離1 號機組較遠，距離約420 m。到1 號機組的配電方式是：從1 250 kVA 的施工變接3×240+120 的電纜到4號機組段的分電盤，電纜長約240 m；再從分電盤接3×185+90 的電纜到串聯諧振試驗裝置，該段電纜長約180 m，電纜長了不宜鋸短。試驗時調壓變使用的電源是2 相，計算電纜的回路電阻和電阻性壓降。

電阻計算公式：R=ρL/S

第一段電纜每相電阻

第二段電纜每相電阻

來回電阻R=2×（0.017 8+0.017 3）=0.0702（Ω）

在試驗中可產生的最大壓降

電源電壓為400 V，經過這個壓降后，電壓降為353.27 V，試驗時353.27 V 低于一般400 V 設備90%低壓動作值360 V，故下層線圈分2 瓣耐壓可能會因低電壓動作而試驗難以進行，下層線圈分2瓣耐壓無法進行。

假定分3 瓣對定子下層繞組進行耐壓。重復上述耐壓試驗的公式計算，定子下層分3 瓣的對地電容是270×3.53/（2×810/3）=1.765（μF）。

定子下層繞組耐壓試驗值UT=2.5Un+2=2.5×24+2=62（kV），計算定子下層分3 瓣耐壓時高壓電流為IH=314×62×103×1.765×10-6=34.36（A），高壓容量SH=62×103×34.36 =2 130.4（kVA），低壓容量SL=2 130.4/12=177.53（kVA），低壓電流IL=177.53/0.4=443.8（A），電源電纜距離相同，此時低壓電纜上產生的電阻性壓降ΔU=443.8×0.070 2=31.2（V），耐壓設備可用電壓為400-31.2=368.8（V），高于低電壓脫扣動作值，可知，定子下層繞組分3 瓣進行交流耐壓方案可行。將定子下層分2 瓣和分3瓣的計算數據進行對比，見表1：

表1 定子下層分2 瓣和3 瓣的計算數據對比表

3.2 分瓣耐壓諧振匹配復核檢查

在確定電源條件滿足對下層線圈耐壓后，還要進一步復核串聯諧振設備的搭配能不能覆蓋分3 瓣時每瓣的電容值。

諧振的條件：ωL=1/（ωC）

計算試驗電感量

串聯諧振設備配置電感有2 只11 H 固定電感，1 只12 H 固定電感，一臺可調電感8.41~50.66 H。計劃選用1 只11 H 電感與可調電感并聯。設需要的可調電感值為LR，根據下列公式計算：1/5.746=1/LR+1/11,可知LR=12.03（H），LR在可調電感的調節(jié)范圍內，諧振條件滿足，根據串聯諧振試驗接線圖進行現場試驗設備的接線，具體接線詳見試驗接線圖1。

圖1 下層繞組耐壓串聯諧振設備接線圖

3.3 分瓣耐壓試驗結果

根據上述可知，1 號機組定子下層繞組交流耐壓采用分3 瓣進行耐壓（即810/3=270 根）試驗，為了便于現場試驗設備的布置和操作便利，根據槽號將定子下層繞組分為189~458、459~728、729~188三組，具體試驗數據詳見表2。

表2 下層繞組交流耐壓試驗結果

表3 定子繞組整體分相交流耐壓試驗結果

在試驗準備開始前測量電源電壓時發(fā)現，電源電壓比理論計算值要低，分析發(fā)現，因在計算中忽略了電纜導線的自身電抗值，從而導致電源電壓的降低。于是將施工變輸出電壓調整到了10.25 kV/400 V檔，調整后施工變輸出約410 V。下面是實際試驗時的每瓣高壓電流34.0 A、電壓62.0 kV，低壓電流389 A、電壓379 V，換算諧振品質因數約為14.17。

后續(xù)機組在下層繞組分瓣耐壓時，如果離電源距離近，下層繞組可分2 瓣耐壓，固定電抗的配備要重新計算。

4 定子分相整體耐壓

根據GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》可知，定子分相整體交流耐壓電壓UT=2UN+3 kV，即51 kV。計算試驗高壓電流IH=ωUHC=314×51×103×3.53×10-6=56.53（A）， 計算高壓容量SH=UT×IH=51×56.53=2 883（kVA），計算低壓容量，假設諧振品質因數為12（經驗值），SL=SH/12=2 883/12=240.25（kVA），試驗電源400 V 低壓側電流IL=240.25/0.4=600.6（A）。因1 號機組離供電電源側較遠，為滿足交流耐壓對電源的要求，需要在1 號機旁增設一臺1 250 kVA 施工變以便為定子整體交流耐壓供電，以此來降低長距離電纜壓降，串聯諧振耐壓裝置之間使用約30 m 的3×240 電纜進行連接。待試驗結束后，便移走增設的一臺試驗變。

可以從分相整體交流耐壓試驗結果可以看出，試驗高壓51 kV、電流54.4 A，400 A 側電流1 100 A、電壓381 V，換算諧振品質因數約為6.66。與計算的400 V 輸入電流與實際偏差較大和諧振品質因數偏差也較大。通過對分瓣交流耐壓試驗和分相交流耐壓試驗的觀察和分析，發(fā)現分瓣耐壓時，電暈小、聲音小，則有功損耗也??；而在分相整體耐壓時，電暈大、噪聲大，造成的有功損耗也大，諧振品質因數低。建議在今后發(fā)電子定子繞組整體耐壓時，400 V交流配電容量要預留充足一些。

5 激勵變壓器輸出抽頭選擇

串聯諧振激勵變壓器輸出抽頭有8.1 kV 和8.57 kV 兩檔，其檔位的選擇需合理的選用。在設備耐壓試驗時達到所需的高壓電壓、高壓電流是一定的，那么相應的設備容量一定，假定諧振品質因數一定，所需的低壓容量一定了。對激勵變壓器來說，輸出抽頭選高一點的電壓，其輸入電壓就會低一些，但需要的總容量是一定的，勢必造成其輸入的電流會多一些。再往前推，試驗用的調壓器是接觸型的，那么就會造成調壓器的輸出電流多一些，大電流對調壓器的滑動觸頭是不利的，故激勵變壓器一般優(yōu)先選擇電壓低的輸出抽頭。建議在今后試驗中參考借鑒。

6 結論

本文中定子繞組下層分瓣交流耐壓和整體分相交流耐壓試驗計算所用的都是常規(guī)公式，按計算結果配備了試驗電源容量，并留有一定的余量，通過對交流耐壓所用數據的合理推算，將影響試驗結果的一些風險因素提前科學解決，有效解決了試驗過程中因電壓不足跳閘、電纜發(fā)熱和調壓器滑動觸頭起弧等問題，避免了造成設備損壞和試驗工期的延期。在今后的發(fā)電機定子繞組交流耐壓試驗過程中還應注意多積累經驗，為此項試驗提供跟多借鑒參考的數據。