关于发电机定子绕组绝缘电阻测量及最低允许值的分析

冯复生

华北电力科学研究院，北京100045

1 引言

发电机定子绕组绝缘电阻测量是最常用的诊断方法之一。由于其方法简单、方便，通常作为判断发电机定子绕组绝缘受潮、表面脏污程度以及判断绝缘裂痕等缺陷的有效手段之一，尤其采用三相绝缘电阻以及和以往绝缘电阻值相比较的方式，可以判断绝缘是否受潮，此外还可做为定子绕组耐压试验或投运的重要判据。 但由于影响绝缘电阻测量值的因素较多，有的标准中对于其最低允许值并没有作出明确规定，同时绝缘电阻值与定子绕组绝缘强度间也不存在明确的关系，无法直接由绝缘电阻值判断定子绕组的电气强度或由所测值的大小确定发生电气故障的可能。

目前国内外资料中表明绝缘电阻值与温度关系的表达式也极不统一，使所测值有时无法和以往测量值进行比较，因而不能了解到定子绕组绝缘的真实状态。

本文对目前国内外采用的绝缘电阻与温度的关系，以及制造部门、运行部门推荐的绝缘电阻最低允许值作了系统比较，推荐了合理的最低允许值，同时对试验要求以及大型发电机定子绕组绝缘电阻测量方法、要领做了具体介绍。

2 不同温度下定子绕组绝缘电阻换算公式

2．1 定子绕组绝缘电阻与温度关系的表达式文献［1］所推荐公式为

·B级热固性绝缘

R1＝R2×1．6

式中 R1为测量温度为t1时的绕组绝缘电阻值，MΩ；R2为换算至温度t2时的绕组绝缘电阻值，MΩ；t1为测量时的温度，℃；t2为要换算的温度，℃。

·热塑性绝缘

R1＝R2×2（t－t）／10

21（t－t）／1021（1） （2）

文献［2］所推荐公式为

·B级绝缘

Rc＝Kt×Rt（3）

式中 Rc为换算至40℃时的绕组绝缘电阻值，MΩ；Rt为测量温度为t时的绝缘电阻值，MΩ；Kt为绝缘电阻温度换算系数。

换算至40℃时，不同温度下绝缘电阻温度换算系数见图1，绝缘电阻换算至40℃及75℃时的绝缘电阻温度换算系数见表1。

图1 定子绕组B级绝缘换算至

40℃时

表1 换算至40℃及75℃时的Kt值

文献［3］所推荐公式为

B级绝缘

R75＝Kt×Rt（4）

式中 R75为换算至75℃时定子绕组的绝缘电阻值，MΩ；Rt为测量温度为t时定子绕组的绝缘电阻值，MΩ；Kt为绝缘电阻温度换算系数。

不同温度下绝缘电阻温度换算系数见表2所示。

表2 不同温度下的Kt值（换算至75℃）

2．2 各种表达方式之间相互关系分析

定子绕组施加直流电压后，吸收电流及电导电流将随试品温度的改变而变化，当试品温度在较小范围内变动时，电导电流与试品温度的近似关系可由式（7）表示，电导电流随试品温度上升而增大。

I＝I0 e（5）

αt

式中 I为温度为t时的电导电流；I0为0℃时的电导电流；α为温度系数。

而定子绕组绝缘电阻与温度的关系可由式（6）表示，绝缘电阻随试品温度上升而下降。

R＝R0 e

两边取对数得

lnR＝lnR0－αt（7）

式中 lnR0为常数，由上式可知，lnR与温度呈线性关系；α代表直线的斜率。

式（1）～（4）表达方式不一，通过换算统一归算到式（6）时可求得α值如表3所示。

表3 国内及美、前苏联所采用的不同换算公式下的α值

－αt（6）

注：表中α为B级绝缘温度系数，对于A级绝缘则为0．025。

表3显示出绝缘电阻采用不同换算公式后的差异，而国内B级绝缘采用的换算公式，即R1＝R2×2／10（t－t）21与文献［2］推荐的换算公式相吻合，与文献［1］所采用的换算公式，即R1＝R2×1．6（t－t）／10

21有较大差

异。

3 定子绕组绝缘电阻最低允许值的规定及比较

3．1 有关定子绕组绝缘电阻最低允许值的规定

文献［4］中对于发电机定子绕组绝缘电阻最低允许值在大修时没有作出规定，而新机投产前及大修时是否需要对定子绕组进行干燥作了相应规定。

（1）文献［5～7］中规定，发电机定子绕组在干燥后接近工作温度时，用2500V兆欧表测量对地及相间的绝缘电阻值应不低于按下式计算所得的数值：

（8）

式中 R为绝缘电阻值，MΩ；U为发电机定子绕组的额定电压，V；P为发电机额定功率，kVA。

文献［6］要求绝缘电阻在热状态或温升试验后测量，但没有明确规定定子绕组温度；文献［7］规定为换算至100℃时的绝缘电阻值。国标中有关规定也相差较大。

（2）文献［2］［4］中规定发电机和同步调相机大修中更换绕组时，容量为10MW（MVA）以上的定子绕组绝缘状况应满足下列条件，而容量为10MW（MVA）及以下者满足下列条件之一者，可以不经干燥便投入运行：

①沥青浸胶及烘卷云母绝缘分相测得的吸收比不小于1．3或极化指数不小于1．5，对于环氧粉云母绝缘吸收比不小于1．6或极化指数不小于2．0。水内冷发电机的吸收比和极化指数自行规定。

②在40℃时三相绕组并联对地绝缘电阻值不小于（Un＋1）MΩ（取Un为kV值，下同）；分相试验时，不小于2（Un＋1）MΩ。若定子绕组温度不是40℃时，绝缘电阻应进行换算。

（3）文献［3］规定定子绕组采用气体（空气或氢气）冷却的发电机和调相机，不经干燥投入运行的条件为：

1）温度不低于10℃时测得的绝缘电阻应该不低于式（8）的给定值，即实测值通过换算应不低于式（8）75℃状态下的最低允许值。

2）10℃～30℃时测得的吸收比不小于1．3。

3）由直流泄漏电流和直流试验电压关系决定的

示最高试验电压及相应泄漏电流，U2、I2表示第一级试验电压及相应泄漏电流）。

（4）文献［1］规定交流耐压试验合格的发电机，当其绝缘电阻在接近运行温度时，或环氧粉云母绝缘的电机在常温下不低于其额定电压每kV 1MΩ时，可不经干燥便投入运行。此时要求各相绝缘电阻的不平衡系数不大于2；吸收比不小于1．6 。

3．2 不同标准及换算公式下，定子绕组绝缘电阻最低允许值的比较

为了解各种标准规定的差异以及不同温度下绝缘电阻换算结果的不同，下面以300MW（353MVA、20kV）汽轮发电机为例进行说明。

（1）文献［2］推荐的绝缘电阻最低允许值规定，在40℃时除吸收比或极化指数合格外，每相定子绕组对地最低绝缘电阻值不低于2（Un＋1）MΩ。以该机为例，应不低于42MΩ。采用三种不同温度下定子绕组绝缘电阻的换算公式［1～3］后的计算结果见表4。

表4 在40℃时每相绕组对地绝缘电阻按42MΩ要

采用不同换算公式的所得值

由表4可以看出，三种换算结果有较大差异，换算至75℃时相差约2～3倍。

（2）按文献[5][6]规定，汽轮发电机定子绕组在干燥后接近工作温度时，用2500V兆欧表测量对地及相间的绝缘电阻应不低于式（8）的值，该机计算结果为4. 42MΩ。采用三种在不同温度下定子绕组换算公式的结果见表5。

由表5可见，当发电机的工作温度在70℃、75℃时所得绝缘电阻值，按文献[2]换算公式推算至40℃时的绝缘电阻值为35-50MΩ，说明文献[5]和[6]规定的最低绝缘电阻值与文献[2]基本相近，而按文献[1]和[3]推荐的换算公式所得的40℃时的绝缘电阻值差异较大。

表5 在热状态下每相绕组对地绝缘

电阻按4.42MΩ要求,采用不同换算公式所得值

（3）按1985年部颁《电气设备预防性试验规程》规定，当绕组工作温度在75℃时，每相绕组的绝缘电阻按定子额定电压计算，要求大于每kV1MΩ，该机按要求为20MΩ。采用三种在不同温度下定子绕组换算

公式的结果见表6。

由表6可以看出，在70℃、75℃时，每相定子绕组对地最低绝缘电阻按每kV MΩ标准要求，此允许值与文献［2］［6］有关规定相差较大。

表6 在75℃下每相绕组对地绝缘电阻按

20MΩ要，采用不同换算公式所得值

注：20MΩ为1985年部颁预试规程规定的最低允许值

(4)按文献[1]规定,发电机定子绕组交流耐压试验合格后,对于环氧粉云母绝缘的电机在常温下每kV不低于1MΩ时,可不经干燥便投入运行,该机按要求为20MΩ。采用三种在不同温度下定子绕组换算公式的结果见表7。

表7 在常温下每相定子绕组对地最低绝缘电阻按

MΩ/KV要求，采用不同换算公式所得值

注：常温下按要求为20MΩ。

从表7可知，常温下的每kV MΩ要求与其它相比偏松，难以作为判断标准。

综合比较国内外标准，结果相差较大，如按我国通常的规定，当定子绕组在工作温度时，每相绕组的绝缘电阻每kV大于1MΩ，则与文献［2］［3］［5］［6］标准相比，不论采用何种换算公式，结果都相差3～4倍；而按文献［6］或［3］，当采用文献［1］［3］的绝缘电阻与温度换算公式时和文献［2］相比，结果相差2～3倍。

4 影响绝缘电阻测量结果的因素

（1）定子绕组（包括套管）表面状态的影响

当油污、尘埃、炭粉等外部杂质吸附在定子绕组表面时，可能会使其绝缘电阻大大降低，对于端部接头裸露的大型氢气内冷式汽轮发电机和表面大部分裸露的直流电机，减少表面脏污尤为重要。

（2）环境湿度的影响

测量时的湿度要求常被忽视，当绕组温度处在环境的露点（或露点以下）时，定子绕组表面会形成一层水薄膜，特别当表面脏污时，绝缘电阻的下降极为明显。因此对于湿热带地区，在室温及高湿下测定的最低允许绝缘电阻，可规定不低于常规值的2～3倍。

（3）温度的影响

定子绕组的绝缘电阻值通常与温度呈反比关系。根据不同绝缘材料采用相应的温度系数，绝缘电阻与温度关系的表达方式极不统一，有条件的则可参照发电机不同温度下的测量值或从厂家新机中求得。

（4）试验电压的影响

选择兆欧表的试验电压应根据定子绕组额定电压以及绕组的绝缘状态选择，特别对于低压或受潮严重的电机尤为重要。测量绝缘电阻通常采用的试验电压为500～5000V（国外有5000V电压等级），当绝缘良好和干燥状态下，绝缘电阻值与试验电压大小关系不大。

（5）绕组中残余电荷的影响

测量绝缘电阻时，当绕组绝缘中存有残余电荷时会给试验结果带来误差，故在试验以前应对机组彻底放电，接地放电时间至少不少于5min。

5 现场试验时应注意的问题

（1）绝缘电阻是定子绕组耐压试验前或投运前判断绝缘是否受潮的重要依据 ，而目前国内外对其最低允许值和不同温度下的换算公式存在不少差异。多年经验表明，目前新颁部标《电力设备预防性试验规程》中推荐值是合理的，其中规定的绝缘电阻允许值与美国、前苏联标准基本吻合。不同温度下绝缘电阻的换算公式因受绝缘材料及运行条件的影响，其结果相差较大，根据多年经验，绝缘电阻值每当温度增加10℃而减半的关系通常是可作依据的。在有条件的现场，可以找出具体机组的实际温度系数，如R1、R2分别为温度t1及t2时的绝缘电阻值，则

合机组实际状态。而在机组干燥过程中，应注意取干燥过程完毕后的不同温度下的绝缘电阻值，否则求出的温度系数与机组状态不符合

（2）判断绕组的绝缘状态，不能单一根据绝缘电阻值的大小作为诊断条件。基于绝缘电阻值随着施加电压时间的变化关系可以评价定子绕组的清洁与干燥程度。当绝缘良好时，绝缘电阻在施加恒定电压下，随时间的增大而可以延续几个小时，一般情况为10～15min。而绕组绝缘潮湿或脏污情况下绝缘电阻值达到稳定也要1～2min，因而采用极化指数比（R500／R50）比采用吸收比（R60／R15）更为合理，极化指数在较大范围内与定子温度无关。此外，吸收比由于受定子绕组试品几何电荷的影响以及介质初始极化状况的差异，有时给试验结果会带来一定的影响。因而国内有些标准如文献［6］［7］等仅规定绝缘电阻的最低值，而没有规定极化指数或吸收比是不全面的。

（3）试验时要注意三相绕组绝缘电阻值与单相绕组绝缘电阻的关系。通常三相绕组对地绝缘电阻最低值为R＝（Un＋1）MΩ（取发电机定子Un为kV值），而单相对地及相间的绝缘电阻值近似为2（Un＋1）MΩ，当端部屏蔽时近似为3（Un＋1）MΩ。其中关系也与定子绕组表面状态有关。

（4）测量水内冷电机的定子绝缘电阻时要注意，若屏蔽回路接线错误将会导致不正确的试验结果。常发生错误的接线有以下几种。

1）定子绕组引水管水电阻因接线错误与试品直接并联，兆欧表所测值为引水管水电阻值。

2）定子进出线水管法兰因安装粗心，在法兰处没有垫绝缘，造成6个进出线水管中电阻与试品并联，导致绝缘电阻大大下降。或者试验时没有将该部分水电阻正确接入屏蔽回路。

3）定子汇水管不接入屏蔽回路会造成测量误差，如一台200MW的水氢氢机组，因汽机侧汇水管屏蔽线厂家断开而没有接入屏蔽回路，盲目加热干燥7天后，绝缘电阻仍达不到要求，当发现上述问题并加以更正后结果均为正常。

4）定子检温元件法兰或汇水管法兰因机内进油而造成绝缘不良，起不到良好的屏蔽作用。

6 结束语

绝缘电阻测量作为评价发电机定子绕组绝缘状态的依据已有半个多世纪的时间，由于方法有效而经常被

用于绝缘受潮、油污或存有缺陷的诊断。但由于国内外标准中关于绝缘电阻最低允许值的规定相差较大，且不同温度下绝缘电阻换算关系式不同，现场工程技术人员进行此工作时常会遇到一些麻烦。特别是利用绝缘电阻测量值来判断定子绕组的干燥程度时，一些标准［6，7］仅规定绝缘电阻最低允许值，而对吸收比和极化指数不作规定。此外，绝缘电阻与温度有较大关系，但有些标准中在规定最低允许绝缘电阻值时对于温度没有明确规定，如用接近工作温度、热状态或温升试验后等，则所测绝缘电阻值必然存在差异。

通过分析比较各种标准可以看到，目前部颁《电力设备预防性试验规程》关于发电机定子绕组在干燥时有关绝缘电阻及吸收比（或极化指数）的规定是合理可行的，绝缘电阻允许值以及绝缘电阻和温度的换算关系符合国内以往的经验，并与目前国外通用的标准相接近。

鉴于极化指数对判断定子绝缘干燥程度的有效性，在国内已具备相应仪器制造能力的条件下，建议应以极化指数代替常用的吸收比的测量。

参考文献：

［1］ GB50510－91 电气装置安装工程电气设备交接试验标准［S］．

［2］ American NationalStandards Institute IEEERecommended Pra－ctice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery ［S］，1974．

［3］ 苏联自动化出版社．电气设备试验规程（第5版）［S］，1978．

［4］ DL／T596－1996．电力设备预防性试验规程［S］．

［5］ GB／T2064－1996透平型同步发电机技术条件［S］．

［6］ GB755－87旋转电机基本技术要求［S］．

［7］ GB8564－88水轮发电机组安装技术规范［S］．