第7章 高压电机局部放电测试方法

第7章 高压电机局部放电测试
对于低压电机，影响绕组绝缘寿命的主要因素是机械应力、热及短时的过电压的作用。

对于高压电机，影响其绕组绝缘寿命的主要原因除上述因素外，另外一个更主要的因素就是局部放电。

对于6kV 及以上电压等级的高压电机定子绕圈，运行时绝缘内部及表面都可能发生局部放电。

据统计，电机损坏事故均有50%是电机定子绕组绝缘损坏引起的。

而很多绕组绝缘的损坏很多是局部放电造成的。

所以，近年来电机中局部放电的测量与防止已为各电机制造厂家和电机使用部门所重视，局部放电的测试已逐渐用于电机绝缘质量的控制和运行可靠性的鉴定。

7.1 电机绕组绝缘内部的局部放电
现代高压电机定子绕组的对地绝缘，多采用环氧片云母或粉云母连续式绝缘或环氧片云母箔或粉云母箔卷烘式绝缘，并有多胶和少胶之分及模压、液压和整浸之分。

少胶的需真空浸漆(或浸胶)现模压(整浸的则不压)，多胶的则一定要模压液压成型。

不论多胶云母带(或箔)、少胶云母带(或箔)，本身就有很多气泡，包扎过程中，在云母带的每匝边缘处也会形成气隙；云母带中的胶粘剂有的有溶剂，有的有低分子化合物，在线圈热压成型的过程中要挥发而产生气泡，虽然要经真空处理，但因高压电机绕组绝缘包扎的云母带层数多，这些气泡、气隙中的空气和挥发物很难抽尽。

因而高压电机定子绕组绝缘内部总是有气隙的。

电机运行过程中，由于热胀冷缩、冷热循环使用、机械振动作用及电热老化等也会产生新的气隙。

若高压电机定子线圈对地绝缘中的气隙如图7.1所示，我们把线圈对地绝缘作为平板电容来分析气隙中的场强。

图7.1 线圈对地绝缘中的气隙示意图
设线圈单面绝缘厚为a δ，绝缘中气隙厚度为c δ，气隙相串联的其余绝缘层厚为b δ，则
b c a δδδ+=。

环氧云母绝缘介电系数4=b ε，若绝缘中的平均场强为a E ，则在交流电压作用
下气隙中的场强
(kV/mm))
(a
b
c c b c b b c E E δεδεδδε++=
(7.1)
式中)
(32c b N a U E δδ+=
为平均场强，单位为kV/mm ；b ε为环氧云母绝缘相对介电常数，约为4；
c ε为气隙中空气相对介电常数，约为1。

将b ε，c ε数值代入上式，并用N U 替换a E ，则上式可改写为
(kV/mm)4266.3432b
c N
b c N
c U U E δδδδ+=⎪
⎭⎫ ⎝
⎛
+=
(7.2)
式中N U 为电机的额定电压(线电压有效值)。

高压电机定子线圈单面绝缘厚度i δ按下式计算，
m b
N
y a E N K δααδβτ++-≥
-10)](1[21 (7.3)
式中y K 为预防性试验电压倍数，等于1.5；1α为历次试验累计效应系数，场强低于10kV 时约为0.05；2α为(负)分散度为0.1~0.15(6kV 以下取大值)；β为年平均老化速率指数，为0.02~0.03(发电机取小值，电动机取大值)；τ为运行年限，发电机为30年，电动机为20年； b E 为击穿场强，约25kV/mm ；m δ为考虑机械因素所要求的附加厚度，为0.5mm 。

对于发电机，若不考虑厚度对b E 的影响，当年30=τ，05.01≈α，1.02≈α，β取0.02，mm kV E b /25≈，将这些值代入上式可得
5.0268.0+≈N a U δ (7.4)
即c N c a b U δδδδ-+≈-=)5.0268.0(
将此b δ代入(7.5)得绝缘中气隙厚度c δ、场强c E 与额定电压N U 的关系
c
c
c N E E U 268.0266.3)5.03(-+=
δ (7.5)
图7.2为均匀电场中空气的场强与电极间距离的关系，从图可查得不同厚度所隙c δ的击穿场强c E ，代入(7.5)中，可得不同额定电压下电机绕组绝缘内部发生局部放电时所含的气隙厚度。

额定电压下的放电的气隙厚度与发电机额定电压间的关系如图7.3所示。

0.1
0.2
0.4 0.6 0.8 1
2
4
6 8 10
2
4 6 8 10 气隙厚度δ (mm)
击穿场强E C (k V /m m )
图7.2 均匀电场中空气的击穿场强与电极间距离的关系
额定电压U N (kV)
气隙厚度δ(m m )
4
0.20.40.60.81.01.21.41.65
6
7891011
12
图7.3 额定电压下放电的气隙厚度与额定电压的关系
从图7.3所示可知：
(1) 额定电压大于5.5kV 的电机，绕组绝缘内部可能发生局部放电。

(2) 危险的气隙厚度为0.10~0.60mm ，在较低的额定电压下就发生局部放电。

(3) 现在生产的电机中，实际气隙一般为0.05~0.50mm ，因此，N U 在6kV 及以上的电机，运行中就有局部放电。

(4) 当额定电压增加时，不论是厚气隙或薄气隙，均发生局部放电，但当气隙厚度为0.05mm 以下时，额定电压为15kV 或更高电压的电机有产生内部放电的危险。

当对额定电压为N U 的电机的定子绕组的主绝缘施加试验电压t U 时，若产生局部放电，则根据 (7.2)，
a
c t
c
a c t
c U U E δδδδδ+=
+
=
3657.54
2 (7.6)
对于发电机5.0268.0+=N a U δ,其气隙内的场强,
5
.0268.03657.5++=
N c t
c U U E δ (7.7)
产生局部放电的起始电压
657
.5)5.0268.03(c
N c i E U U ++=
δ (7.8)
(7.8)为表示不同额定电压的电机定子绕组主绝缘的起始放电电压与气隙厚度的关系，亦可用曲线表示，如图7.4所示。

从图中可知：
(1) 产生局部放电的最低电压随额定电压的升高而升高，3kV 级电机定子线圈对地绝缘产生局部放电的最低电压只有2.5kV 。

(2) 线圈对地绝缘内产生局部放电的最危险的气隙厚度也随额定电压的增高而增大。

(3) 除3kV 的电机外，其他电压等级的电机在相电压下均有局部放电产生。

电压等级越高，实际运行电压下局部放电越厉害，15.75kV 及以上电机定子绕圈主绝缘内的所有大于0.1mm 的气隙均产生局部放电。

放电电压u i (kV)
气隙厚度δ(m m )
0.20.40.60.81.01.21.41.61
2
3
4
56789
10
11
U N 1< U N 2<U N 3
图7.4 不同额定电压的电机起始放电电压与气隙厚度关系
图7.5 线圈棱角处结构图
图7.5为线圈棱角处的结构示意图。

线圈棱角对绝缘的最高场强max E 、平均场强av E 与棱角内外半径的关系如下式所示：
()
3
/112m ax 8.1/r r E E av = (7.9)
随额定电压的升高2r 增大，12/r r 也就增大，max E 大于av E 的倍数也增大。

棱角处有气隙时，电机定子线圈对地绝缘内部出现局部放电的电压将比上面计算值低得多。

不同额定电压电机定子线圈对地绝缘平均场强与最大场强见表7.1。

表7.1 线圈绝缘的最大场强与平均场强比较
电机定子线圈对地绝缘内的气隙位置有三种：一是在绝缘层的中间；二是在导线与绝缘间；三是在绝缘与防晕层间。

7.2高压电机定子线圈端部的局部放电
高压电机定子线圈出槽口处电场分布极不均匀，在槽口处场强最高。

如不采取防晕措施，在高电场作用下该处将产生电晕，对于单只线圈在4kV 左右电晕就已很明显，20kV 左右就会产生滑闪放电，40kV 左右就会产生闪络。

下完线后组成的绕组闪络电压将会更低，这不但会在长期运行中产生电腐蚀，而且使产品的耐压试验也无法进行，因此，必须进行防晕处理。

在没有防晕处理时，线圈端可用图7.6所示电容链等效电路来计算槽口处最高场强，用 (7.10)进行计算，
)kV/mm (/0
max
U
K C E i i x == (7.10)
未作防晕处理时，端部出槽口处起晕临界场强kef E 约为8.1kV/cm ，其对应起晕电压
)kV (4.345
.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=i
a
k U ε
δ (7.11)
式中a δ为单边绝缘厚(mm)。

图7.6 端部未防晕处理时的等效电路
出槽口处起晕电压k U 与绝缘厚度a δ关系如图7.7所示，从图可知，6kV 级电机)47.3(kV U =ϕ的高压端线圈已处于起晕临界状态。

绝缘厚度δi (mm)
起晕电压u k (k V )
123456789
1
2
34681020
U K
u k
图7.7 未防晕处理出槽口处起晕电压U K 与绝缘厚度关系
端部防晕处理的原理是尽量均匀槽口处的电场分布。

防晕结构有下述五种：
(1) 涂刷型防晕结构 在线圈槽口外的一段端部绝缘表面上涂刷含碳黑或石墨和碳化硅的高电阻漆。

这种结构工艺简单，但起晕电压不高，只能用在10.5kV 及以下电机定子线圈的端部防晕处理。

我国多数电机制造厂家现使用的是碳化硅高电阻漆。

(2) 刷包型防晕结构 在线圈槽口外的一段端部绝缘表面上先涂刷一层含碳黑或石墨和碳化硅的高电阻防晕漆，再包一层玻璃丝带，再刷一层高电阻防晕漆。

现在我国多数厂家用的是碳化硅高电阻防晕漆。

这种结构起晕电压较高，可用于15.75kV 及以下电压等级的电机定子线圈端部防晕处理。

以前用的是含碳黑或石墨的线性高电阻晕漆。

6~10.5kV 用一级处理，10.5kV 以上的电机则需二级或三级处理，离槽口的越远所用高电阻防晕漆电阻越高。

若用三级防晕处理，第一级所用高阻漆电阻率约为106~108Ω·m ，第二级所用高阻漆电阻率约为108~109Ω·m ，第三级所用高阻漆电阻率约为109~1010Ω·m 。

碳化硅电阻率随外施场强的变化呈指数下降。

dx
du
0βρρ-=e
(7.12)
式中0ρ为场强为零时碳化硅防晕层电阻率，单位是Ω·m 。

碳化硅防晕层能随外施场强的变化自动调整电阻率，使电场分布均匀，从而消除了线圈端部表面的电晕。

因其电阻率能随场强自动调节，因而只需一级处理就相当于线性电阻的多级处理。

(3) 半导体外屏一次成型防晕结构 线圈包完主绝缘后，在槽口外的一段上包半导体高阻带，再在高阻带外用2~3层与主绝缘相同材料覆盖，然后与主绝缘一起热压成型。

这种结构现在用于13.8kV 、15.75kV 及18kV 级电机定子线圈的防晕处理，所用半导体高阻带为碳化硅高阻带。

若用线性电阻的高阻带作外层，一次成型后还要进行刷包防晕处理。

(4) 外屏加刷包型防晕结构 用于18kV 及20kV 级电机防晕处理。

(5) 内屏防晕结构 用于24kV 以上电压等级的电机的防晕处理，国内在15.75kV 级、18kV 级电机上试用过，因工艺复杂，现在已不用。

7.3高压电机槽部放电
高压电机槽部放电是指线圈主绝缘表面和铁心槽壁之间的放电，其产生的原因是线圈槽部表面不能同铁心槽壁完全接触，其间总有间隙，且通风槽口处电场分布不均匀，当局部电场强度达到一定数值时，气隙中的气体发生局部电离而产生槽部放电。

图7.8 线圈槽部等效电路图
线圈绝缘表面在间隙处的法向场强，当未作防晕处理时，可当作双层介质平板电容器来计算，其等值电路如图7.8所示。

设线圈上所施电压为ϕU ，线圈绝缘表面对地电压为a U ，则
ϕU C C C U a
i i
a +=
(kV) (7.13)
式中i C 为绝缘单位面积的电容(F/cm 2)；a C 为线圈与铁心间隙单位面积电容(F/cm 2)；ϕU 为相电压 (kV)。

间隙法向电场幅值为
)(kV/cm 2i
a
S aM U E εδδϕ
+=
(7.14)
式中S δ为线圈与铁心的间隙(mm)；a δ为单边绝缘厚度(mm)；i ε为主绝缘相对介电常数。

通风槽口的电场分布不均匀，其轴向场强幅值为
ϕαU C C C E a
i i
oM +=
(kV/cm) (7.15)
式中 )cm /1(i a i K C C +=
α；121
.010126.0-⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛=i i i K δε为主绝缘单位面积的表面电容(F)。

按 (7.14)和(7.15)计算的数值列于表7.2中。

表7.2 未防晕处理时槽部绝缘表面场强与电晕状况
线圈和铁心间隙3.0=i δmm 时，均匀电场下的起始电离场强kV /cm 60≈bm E ，但在通风槽口处电场不均匀，其起始场强有效值kV /cm 1.8kef =E ，幅值为kV /cm 4.11kM =E 。

从表7.2可知，6kV 级线圈表面法向场强和轴向场强都处于起晕临界状态，对更高电压等级的电机绕组，若不进行防晕处理，都会发生电晕。

槽部电晕的防止，主要采用低电阻防晕层进行处理。

这一方面使通风槽口处电场分布均
匀，以降低轴向场强；另一方面，低电阻防晕层与槽壁接触处处于地电位，将该处间隙短路，从而防止了电晕。

但并不是说用低阻防晕层处理后就能完全防止槽部的局部放电，若防晕层与槽壁接触不良或不稳定，在电磁振动的作用下，接触点若即若离，还会引起比电晕放电能量大数百倍的间隙火花放电，局部温度可达摄氏数百度至上千度，使绝缘表面受到严重破坏，在短期内可造成1mm 以上深度的麻坑，且腐馈位置随振动、接触等条件的变化而经常变动。

为了降低防晕层的损耗，防晕层的电阻率一般控制在1×103~1×105Ω·m 范围内。

若接触点很少，离接触较远的防晕层则不是处在地电位，而是处于由电容电流在低电阻防晕层上产生的压降所决定的电位。

假定线圈防晕层在槽内沿轴向有两点接地，按图7.9的分布参数电路计算跨度中的点处的电压为
()ϕρωU L C U E S i 2
m ax 22
1= (kV) (7.16)
式中S ρ为防晕层的电阻率 (Ω·m)。

图7.9 线圈槽部电晕等值电路
从式(7.16)可知S ρ越小、接触点间的距离E L 越小，则max U 越小，故实际生产的电机都尽量想办法使防晕层与铁心槽壁接触点尽量多，要求两接触间距离cm 50<E L 。

由于振动使线圈表面与定子铁心槽壁失去接触而产生的槽放电，是高能量的电容性放电，这种放电与端部电晕不同，也与绝缘内部放电不同。

这种高能放电产生的加速电子，对定子线圈表面产生热的、机械力的作用。

放电使空气电离而产生臭氧及氮的氧化物(N 2O 、NO 、N 2O 4等)，氧化物与气隙内水分起化学作用，引引线圈表面防晕层、主绝缘、垫条等烧损和腐馈。

实际运行发现，这一状况引起的电腐蚀，对电机绝缘的损坏非常迅速。

防止的办法是使线圈在槽内固定牢靠、不松动、与槽壁接触良好。

槽部防晕质量的好坏可用线圈槽部表面对地电位的高低来衡量，但结果只能说明静止状态的质量，运行中的状况现在还未进行测量。

7.4线圈局部放电的测量
对于单只线圈(或线棒)局部放电的测量，一是检查线圈绝缘内部是否含有较大气隙，二是检查线圈端部防晕处理是否合格。

对线圈(或线棒)进行局部放电测量可用直接法，也可用平衡法。

直接法又有并联测试和串
联测试两种。

其原理如图7.10所示。

(a) (b)
图7.10 直接法测电机线圈局部放电原理图
a)并联测试电路；b) 串联测试电路
并联测试电路试样可以接地，试样工频电流不流经检测阻抗，若试样击穿，对设备和操作者均比较安全，但耦合电容器不能直接接地，必须用绝缘支承架支承起来。

绝缘支架和电容器间不能发生局部放电。

串联测试电路，试样不能接地，试样工频电流流经检测阻抗，一旦试样击穿，对操作者和设备均很危险。

但耦合电容
C选用较大值时，可削弱高压端来的干扰。

k
平衡法可以大大抑制外界干扰的影响，因而适用于现场测试。

7.5绕组局部放电的测量
线圈(线棒)下入槽中，按一定规则连接后组成绕组。

这时每只线圈(线棒)的槽部外表面均是接地的，因此，不能用平衡法测局部放电，只能用直接法进行测量，而且只能用并联回路进行测量。

对于运行中的电机，则不需外施高压，只需将电机绕组高压端连到耦合电容器上即可进行测试，其原理如图7.11所示。

对于停止运行的电机，则需外施高压，被测相接地端必须悬空，其他两相则应接地，其测试原理如图7.12所示。

C
图7.11 运行中电机绕组局部放电测量原理图图7.12 静止状态电机局部放电测试原理图
对运行中的电机，还可以从中性点上取信号进行测量。

但局放仪必须有定相检测装置。

实践证明，无论何种故障引起的局部放电信号，均反应在中性点上。

而且放电信号具有特定的频率，故我们可以采用谐振回路将其表征故障频率的信号取出，其原理如图7.13所示。

中性点信号再经定相检测装置分相显示。

若在电机两端装等效天线，接收入电信号后送入检测装置，还可分辨出是哪一端放电。

图7.13 从中性点取信号测电机绕线局部放原理图电
7.6局部放电部位的区分
用不同的方法如无线电法、超声波法、光电法等可以测出放电部位的大概位置，但工作量大，有的还比较麻烦。

比较简便的方法是用脉冲电流法检测各个部位局部放电的图形和在扫描时基上所处的相位加以区分。

以图形和相位区分，按放电的图形和相位可以区分如下：
（1）实测发现，电机线圈主绝缘内部气隙局部放电的图形在0~2/π和2/3~ππ相位上位置对称，幅值很接近，形状似绒团状，图形稳定，如图7.14所示。

2π
π
π/2
2
3π
图7.14 绝缘内部气隙局部放电图形
（2）主绝缘与导体间气隙局部放电图形如图7.15所示，所处相位在0~2/π和2/3~ππ相位之间，图形幅值不等，0~2/π相位间的幅值大。

所占相位宽度也不等，0~2/π相位之间的窄。

2
图7.15 线圈绝缘与导体间气隙局部放电图形
（3）线圈表面与电机槽壁间气隙的局部放电，即所谓槽放电，图形如图7.16所示，图形所处相位在0~2/π和2/3~ππ相位之间。

图形幅值不等， 2/3~ππ相位之间的幅值大。

所占相
第7章 高压电机局部放电测试方法
73 位宽度也不等，2/3~ππ相位之间的窄。

0π/22
图7.16 电机槽放电图形
（4）线圈端部表面局部放电图形如图7.17所示，图形正负半周不对称，正半周幅值大得多，形状如长须状。

在未发展成刷形放电时，图形不稳定，刷形放电后，图形为稳定。

随外施电压的升高，放电量增加较快。

在靠铁心端部接地端表面放电时，图形也极不对称，相位与前者相反。

23π
图7.17 线圈端部表面局部放电图形
实际测量中，图形是千变万化的，而且有各种干扰，但通这不断实践和积累经验是可以加以区分的。

如高压端金属导体的尖端放电，第一脉冲总是出现在外施电压的负峰值处，外施电压升高、放电脉冲波形幅值不变，彼此间隔相等。

接触不良引起的放电图形总出现在零点附近，而且是不规则的脉冲带。

电源干扰的图形是无规则的杂乱的脉冲波。

当几种放电同时存在时，放电图形是各种放电图形叠加的结果。

这时可根据放电脉冲出现的相位，幅值大小、对称情况、放电脉冲随电压上升下降时的变化情况及随时间的变化情况加以区分。