摘要 ：水轮发电机穿芯螺杆处于主磁场内，经受交变磁场的影响，会产生较高的感应电势。穿芯螺杆与定子铁芯中间需要可靠绝缘。现阶段，该绝缘性能的检测采用定期离线监测方式，无法实时反应系统状态。文章通过必要性、可行性、主要参数选择等方面，对定子穿芯螺杆绝缘性能的在线监测方式进行了探索，以期对电站解决相关问题提供支持。
关键词：穿芯螺杆 绝缘 对地 泄漏电流 在线监测
0. 前言
定子铁芯作为水轮发电机的核心组成部分，其稳定可靠运行，对于水电站具有重要意义。现阶段，定子铁芯紧固系统中，普遍采用穿芯螺杆结构，即通过轴向贯通定子铁芯的螺杆将铁芯把合成一个整体。螺杆位于主磁场内部，受交变磁场的影响，螺杆内部会感应出一定的电势。若穿芯螺杆与定子铁芯间绝缘不当，则螺杆就会通过铁芯形成回路。当短路点超过两个时，回路导通，螺杆中会出现很大的感应电流，造成过螺杆及定子铁芯温度急剧升高，甚至烧熔，严重影响发电设备的安全稳定。因此，实施定子穿芯螺杆绝缘性能的在线监测势在必行。
1. 定子穿芯螺杆绝缘结构简介：
定子穿芯螺杆与定子铁芯的绝缘可以分为两个部分，定子铁芯内部及定子铁芯两端：
1）定子铁芯内部：穿芯螺杆通过包扎绝缘材料，实现对定子铁芯的绝缘；或者通过穿芯螺杆与定子铁芯之间设置一定的空气间隙，保证两者之间的绝缘性能。上述两种结构均有成功应用的案例。
2）定子铁芯两端：一般通过设置绝缘垫，将穿芯螺杆及螺母与定子铁芯的压板等接地部件隔离，实现可靠绝缘。绝缘垫的设计需要综合考虑压紧需求及防爬电需求，该垫片厚度及径向尺寸均需要综合考虑。
2. 定子穿芯螺杆绝缘在线监测的必要性分析
水轮发电机的运行环境普遍比较恶劣，存在大量的油雾、粉尘、振动、噪音。位于定子铁芯两端的穿芯螺杆绝缘，可能会被油雾及粉尘污染。这些杂质中存在大量的集电环碳刷的碳粉，具有一定的导电性。这些污染物附着在穿芯螺杆表面，会将穿芯螺杆端部与齿压板之间形成通路，导致穿芯螺杆对地绝缘降低，甚至造成短路。对于定子铁芯内部的穿芯螺杆绝缘，由于定子通风沟的存在，具有导电性的污染物也会附着在绝缘或螺杆表面，从而造成穿芯螺杆对地绝缘的降低。另外，由于振动造成的机械损伤也会对穿芯螺杆的绝缘结构造成影响，甚至造成绝缘破裂，出现接地现象。
穿芯螺杆位于发电机主磁场内部，承受着非常强烈的交变磁场的影响。以某300MW水轮发电机为例，对其感应电势进行计算。该机组穿芯螺杆材料为42CrMo，每极每相槽数为3+1/2。电磁场求解区域确定为4个磁极的单元电机。计算得到，额定负载情况下，单根螺杆的感应电势为62V（有效值）。由于螺杆为高导电性的金属材料。一旦出现两点及以上的接地，螺杆中通过的电流甚至会超过100A，此电流必然会对定子铁芯造成巨大的危害。在某抽水蓄能电站及个别灯泡贯流式电站中均发生过由于定子穿芯螺杆绝缘故障造成的事故，经济损失非常巨大。
图1 穿芯螺杆中的感应电势（负载工况）
正是由于穿芯螺杆绝缘系统故障的巨大危害，水电厂的运行人员非常关注该处的绝缘性能。每次定期检修，都要对定子穿芯螺杆的绝缘进行检测。但是，一方面，定期检修方式无法实时把握定子穿芯螺杆绝缘性能，存在很大的安全隐患；另一方面，穿芯螺杆的绝缘检测需要使用500V摇表，属于高压设备，存在一定的安全风险；最后，由于定子穿芯螺杆的安装空间紧凑，检测空间狭小，实施难度大，劳动强度高，检测质量难以保证。
综合上述分析，实施对定子穿芯螺杆绝缘性能的在线监测非常有必要。
3. 定子穿芯螺杆绝缘性能在线监测方案设计
影响定子穿芯螺杆绝缘性能的关键指标是其对地电阻，若能准确测量该电阻值，就能准确把握穿芯螺杆绝缘的性能。
对地电阻的测量，主要的方式是通过外接电压源，测量其泄露电流的方式得到对地电阻值。
定子穿芯螺杆绝缘的在线监测系统，需要具备测量用外接电压源，同时需要设置对泄漏电流测量的电流互感器。互感器的二次侧电流需要为mA级别，以保证采集系统的安全。
1）测量电压的选择
测量电压的选择需要综合考虑电站实际情况，以及泄漏电流测量的可行性。电站厂用电一般会提供220V直流电源，考虑穿芯螺杆绝缘的对地电阻一般在20kΩ~2MΩ范围，该电压可以满足泄漏电流在可检测范围内。测量电压选择220VDC。
2）电流互感器选型
泄漏电流的值在0.11~11mA之间，可选择的电流互感器较多。选择成熟的霍尔传感器，可以实现对泄漏电流的准确在线测量。
3）测量电路设计
由于实时监测的需求，需要在穿芯螺杆端部引出测量电缆，连接到测量模块。为了保证原有定子铁芯系统的安全，选用每根螺杆独立接线的方式。每根螺杆端部引出一根测量电缆。这样就避免了由于测量电缆造成的可能的螺杆之间的短路。当然，这一方式也会造成测量电缆的数量繁多，布置难度大。综合考虑系统安全性，最终还是推荐采用单根螺杆独立引出的方式。
4）安全措施
对于在故障情况下可能出现的大电流，在测量系统中设置限流电阻，保证即使在最恶劣情况下，流经测量电路的电流在允许范围内。允许值通过试验确定，初步建议不超过100mA。
5）误差估算
综合考虑电压测量误差、电流测量误差等因素，该系统的综合误差可以控制在10%以内，完全可以满足定子穿芯螺杆绝缘性能的监测需要。
6）其他
由于直流电阻测量的必然需要，单根测量过程中需要充分的充、放电时间，因此完成整机全部螺杆绝缘性能测量的时间会比较长。这是此种测量方式的机理决定的。考虑定子穿芯螺杆绝缘性能出现突变的可能性非常小，此种在线监测方式完全可以满足电站的使用需求。
4. 结语
定子穿芯螺杆的可靠绝缘对水轮发电机的可靠运行具有重要意义。随着监测技术、采集技术的飞速发展，构建一套安全可靠的定子穿芯螺杆绝缘性能在线监测系统成为可能。该系统的构建综合考虑了测量的必要性、可行性和安全性，可以应用到电站实际应用中。该系统的部署，也必然会大力推进电站智能化运维的进展，加速智慧电厂建设的进度。
参考文献：
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[4] 丁大鹏 崔同军 吴冬雪 水轮发电机定子穿芯螺杆温升研究 价值工程
[5] 黄健 电气设备绝缘在线监测技术与状态维修 轻纺工业与技术
作者简介：
周军长（1982-），男，工学学士，高级工程师，2004年毕业于西安交通大学电气工程及自动化专业，现在东方电机有限公司从事智慧产品研发工作。
高涛（1989-），男，工学学士，工程师，2013年毕业于同济大学电气工程及自动化专业，现在东方电机有限公司从事智慧产品研发工作。