发电厂过电压分析及其对绝缘老化的影响

第３０卷第３期　２ＯＯ７年ｏ６月　四川电力技术　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３０。Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．。２００７　发电厂过电压分析及其对绝缘老化的影响　杨琳。。刘庆宁　，李群湛。，李建明　６１００３１；　６２８００２；　（１．西南交通大学电气工程学院，四川成都３．四川电力试验研究院，四川成都摘２．中国华电集团公司四川宝珠寺水力发电厂，四川广元６１００７２）　要：结合现场实测过电压波形分析发电厂典型过电压种类及特点，从绝缘配合和可靠性角度分析了过电压对新　投入运行发电机安全运行的影响。结合近年来１３ｔ内外相关文献阐述发电机绝缘老化机理。并提出用统计过电压参数　与运行记录相结合的方法。推定绝缘剩余寿命。　关键词：过电压；可靠性；绝缘老化　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｋｉｎｄｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｉｎｅａｓｔｌｌ＇ｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ．Ａｓ　ｖｉｅｗｅｄ　ｆｒｏｍ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ　ｏｎ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｊｕｓｔ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒａｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｓｕｌａｔｎｉｏｎ　ａｇｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃ　ｏｖｅｒｖｏｌａｇｅ　ｐａｔｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｏｐｅｒａ’　ｔｉｏｎａｌ　ｒｅｃｏｒｄｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ；ｒｅｌｉａｂｉｉｔｌｙ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ａｇｉｎｇ　中图分类号：ＴＭ３ｏ６文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３—６９５４（２００７）０３—０００５—０３　大型发电机是电力生产的关键设备，其运行安全　性能历来受到人们的高度重视。随着电力系统电压　等级的提高，由系统进行切空载线路和变压器等操作　产生的内部过电压等级也大幅提高，这些过电压波会　随着线路入侵到发电厂。如果发电厂处于雷雨区或　出线较多时，雷电波也会侵入到电厂，给发电机的安　全运行带来安全隐患。　因此在发电机侧装设过电压监测设备，了解过电压特　点，研究过电压与绝缘老化关系，为绝缘配合提供依　据就显得尤为重要。文中的数据是从石棉南桠河与　内江白马电厂近两年的现场实测记录。采集装置为四　川电力试验研究院研制的暂态过电压监测仪…　近年来随着计算机与通信技术的发展，现场监测　发电厂过电压波形已成为现实…。越来越多的学者开　始重视过电压对发电机绝缘老化的影响，目前已有学　者通过实验或仿真研究了冲击过电压在发电机定子绕　组上的分布情况【２Ｊ，在过电压现场监测方面，也有相关　文献通过计算机仿真的方法模拟电机遭受过电压波入　侵的过程【４Ｊ。绝缘老化机理则较普遍地认为是局部放　电对绝缘老化有重大影响…。研究发电机绝缘受过电　压侵袭的影响，能有效地进行绝缘配合保护电机安全　杆雌　量桃　憾　图ｌ　Ｃ相雷电过电压波形　嗍’盹　ｄ　：　运行，同时能更准确地预测发电机绝缘寿命。　１　发电机典型过电压种类及其特点　发电机进网方式分为直配式与经变压器供电式。　经架空线与电网连接的直配式发电机容易因雷电过　电压和操作过电压的频繁作用产生积累效应，从而导　致绝缘事故增加。经过变压器供电的发电机，由于变　压器的保护作用，作用在发电机上的过电压比直接与　架空线连接的低得多。但运行经验证明，经变压器传　递到电机侧的过电压有时较高，仍能击穿电机绝缘。　｛■　ｍ　ｋ　图２三相工频操作过电压波形　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３Ｏ卷第３期　２００７年０６月　四川电力技术　Ｓｉｅｈｕａｎ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３０。Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．．２００７　从元件的可靠性角度来看，可将元件的故障率曲　线分为三个时期，即调整期、偶然故障期、耗损故障　期，这就是大家常说的“浴盆”曲线，如图４所示。在　发电机投入运行初期，虽然绝缘状况良好，但当地过　电压数据不足，绝缘配合难以达到良好的保护效果，　所以刚投入运行的发电机虽然绝缘状况良好，但仍然　图３发生短路引起的过电压波形　图２是一次典型的操作过电压过程，操作过电压　引起系统发生参数谐振，操作过电压幅值接近４倍。　引起Ａ相谐振最高点达到４．５倍，而后形成稳定的谐　振过电压。通过收集近两年监测内江白马电厂、石棉　南桠河发电厂过电压数据分析整理来看，南桠河发电　厂的雷电过电压次数要多于内江白马电厂，且雷电过　电压最大倍数超过５倍工频，这与南桠河电厂处于山　区多雷雨有关。两厂区过电压主要以雷电过电压和　操作过电压为主，另外也有系统故障引起的过电波，　如图３所示。通过对两厂过电压数据进行统计分析，　过电压的频度（一年内发生次数）在５０—７０次之间，　幅值与额定电压比在１．８—２．８倍之间。表１为南桠　河水电厂２００６年典型过电压记录情况。　表ｌ　南桠河发电厂２００６年几次有典型过电压记录情况　２发电厂过电压对绝缘配合的影响　电力系统中的事故以绝缘事故占多数，其中大部　分是由过电压所造成的绝缘破坏。研究过电压是绝　缘配合与合理确定电气设备绝缘水平以及减少绝缘　损坏事故的基础。　・６・　处于事故高发期。　ｈ（ｔ）　１、　———————　ｔ　图４元件故障率曲线　四川是水电资源大省，有众多的水电站，目前正　有多个水电项目正在兴建之中。因此加强过电压数　据的收集，分析整理，为新投入运行的发电机进行绝　缘配合提供参考具有重要意义。　３过电压对发电机绝缘老化的影响　发电机是一种旋转的电气设备，其绝缘结构没有　自恢复性。它额定电压并不高，但其绝缘要承受电、　热、机械应力和环境等因素的联合作用，工作环境极　其恶劣。图５给出了高压电机劣化过程。　图５高压电机劣化过程　在电力系统中，旋转电机随时都可能受到来自电　网中的各种暂态电压的冲击，使定子绕组的匝间绝缘　和主绝缘遭受到高强度的电气损伤，并逐步削弱其绝　缘水平，最终导致定子绕组绝缘事故。在交流电压作　用时，各线圈上的电压分布是均匀的。但在大气过电　压作用下，各线圈上的电压分布很不均匀，特别是在　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３０卷第３期　２００７年ｏ６月　四川电力技术　Ｓｉｅｈｕａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０】．３０．Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．。２００７　陡波作用下。如当波头为０．１～０．２　ｓ时，第一个线　圈上分到的电压可能达到来波幅值的８０％一９０％。　一如下：　般电机并接阀型避雷器残压约为电机额定电压　孚－１３－０＿２．２×ｌｏｇ（Ｑｍ）＿２８０×（　ｌｏｇ［　／２，）・Ｐ（／２，）］　式中：　——推定击穿电压值（ｋＶ）；　Ｅ——额定电压值（ｋＶ）；　Ｑ　——最大放电电荷（ｐＣ）；　△ｔｇ　——介质损耗角正切（％）（２　ｋＶ下）；　ｃ。——静电容量（Ｆ）（２　ｋＶ下）；　的２．５～２．７倍左右。因而在电机的第一个线圈上可　能遇到的最大过电压将为（０．８～０．９）Ｘ　２．５　。而　在线圈的各线匝间有着良好的电容耦合，使这电压在　线圈上仍几乎为均匀分布：如果线圈中有Ⅳ匝，则每　，＇　，，ｖ　ｎ　０　匝上分到的电压　为　＝　二一　－　』Ｖ　×１．１５，式中　１．１５是匝问电压分布略有不均匀的系数。所以在过　电压侵人发电机定子线圈时，线圈端部承受了大部分　的电压，这也是发电机定子线圈端部易发生绝缘事故　的原因［２ｌ。　发电机绝缘上承受的过电压作用会导致电因素　的绝缘劣化。由于过电压幅值高，发电机制造工艺决　定了其击穿场强的分散性很大，平均击穿电压较小，　这就可能引起绝缘介质的电击穿。发电机绝缘在进　人老化期后，其绝缘结构中存在大量的空气隙，这类　缺陷会对电场产生畸变，在极不均匀电场及过电压在　电场的作用下，介质有明显的不完全击穿现象，不完　全击穿导致绝缘性能逐渐下降的效应称为累积效应。　发电机正常运行时，如果绝缘良好没有局部放电，那　么过电压的侵人可能会将原有潜在缺陷劣化为事实　缺陷，进而使电场发生畸变，产生局部放电甚至直接　击穿。如果绝缘已有缺陷，那么过电压的侵人不仅对　潜在缺陷有影响，而且对已有缺陷影响更大，本来在　缺陷处电场已发生畸变，再加上过电压波叠加到工频　上，电压幅值会大幅增加，将产生脉冲频率更高的局　部放电。局部放电产生的强裂过热，往往造成绝缘材　料的碳化或熔化，其破坏的速度与局部放电的严重程　度和持续时间有关。这样不仅有进一步加剧原有缺　陷劣化程度的可能，更可能因电压幅值过高而直接击　穿绝缘。　过电压造成绝缘老化甚至击穿的现象，现在主要　是从机理上进行解释。要对其发生过程、影响程度进　行量化还需新的电化学理论方面的研究，同时有关短　气隙高场强实验模拟发电机绝缘结构气泡击穿过程　电化学方面实验的研究也相当重要。将过电压引起　的累积效应进行量化是研究的重点，可通过统计现场　过电压数据并结合运行记录的方法来预测绝缘寿命，　目前这是一种较为现实而有效的方法。另一方面综　合分析这些测量值，就可以提出关于推算旋转电机剩　余寿命的方法，并认为过电压的倍数与频度是影响绝　缘老化的重要参量，由这些测量值并结合原有绝缘老　化经验公式来得到新的绝缘击穿电压推定值的方程　Ｒ．——ｌ　ｍｉｎ绝缘电阻值（Ｑ）；　．厂（　）——过电压发生频度（年平均超过整定幅　值次数）；　Ｐ（　）——过电压平均倍数。　过电压的发生频度ｆ（／２，）可由收集回的过电压数　据统计得到，大至在５０—８０次之间。Ｐ（／２，）的确定由　实测数据定义，根据在全国几十个电厂及变电站的统　计测量数据，大致在１．８～３．０倍之间。　４结论　（１）在发电厂进行过电压监测，能较准确地测出　当地实际过电压波形、发生时间等数据，并通过波形　有效地判断出过电压种类、电压幅值、频度等参数。　可以间接地通过过电压波形及当时运行情况判断事　故原因。　（２）过电压数据的现场收集，通过分析整理能为　当地新投人运行的发电机提供绝缘配合依据，降低事　故发生率。　（３）过电压影响绝缘老化的程度，尚不能量化，需　做大量实验研究其电老化过程。但可以统计现场过　电压数据和进行运行记录，通过概率统计的方法进行　研究，并得出经验公式。　参考文献　［１］李建明，阴友权．暂态过电压的检测与电力设备绝缘状　态的分析［Ｊ］．四川电力技术，２００５，（２）：１５—１８．　［２］孙雅玲，刘洋．冲击电压对高压交流电机定子绕组匝间　绝缘的影响［Ｊ］．防爆电机，２００５，（１）：３５—３７．　［３］李鸿岩，王峰等．变频电机的匝问绝缘电老化机理［Ｊ］．　绝缘材料，２００５，（２）：５７—６０．　［４］李群湛．电力系统可靠性原理［Ｍ］．铁道出版社，２００６．　［５］　高瓴，刘念等．电机操作过电压在线安全监测的新方法　理论分析［Ｊ］．继电器，２００４，（１８）：４３—４５．　［６］水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则［Ｓ］．　中国电力出版社，１９９９．　（收稿日期：２００７—０４—１４）