发电机定子绕组端部表面电晕分析及处理

发电机定子绕组端部表面电晕分析及处理
郭钰静;赵鲲;张昆
【摘要】介绍了发电机定子绕组端部的防晕的目的和结构,根据电晕放电理论结合现场实际重点分析了端部电晕产生的4种原因:绕组所处的电位、低阻区和高阻区搭接不良、上下层绕组间距过小以及表面脏污.依据《发电机定子绕组端部电晕检测与评定导则》的试验方法,对电晕进行判定,提出了暗室目测法和紫外电晕法存在位置判定不准的缺点,明确了现场痕迹的确定应以停机检查为主.在现场分别采用了4种不同的电晕修复处理方法:涂刷绝缘漆、涂刷两遍高阻防晕漆及绝缘漆、上下层线棒间填充适形的绝缘材料以及局部防晕层重做,得出了在现场可以处理发电机端部电晕放电的结论,确保了电机的安全运行.
【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2016(000)008
【总页数】5页(P44-48)
【关键词】发电机;电晕放电;防晕层处理
【作者】郭钰静;赵鲲;张昆
【作者单位】中国长江电力股份有限公司检修厂,湖北宜昌 443002;中国长江电力股份有限公司检修厂,湖北宜昌 443002;中国长江电力股份有限公司检修厂,湖北宜昌 443002
【正文语种】中文
【中图分类】TM303.3;TM307+.2
防电晕是高压电机定子绕组绝缘必须解决的一个问题，因为如果高压定子绕组(线圈)不做防晕处理或处理不好，则绕组制造时的多次耐电压试验可能无法通过；另
外定子绕组在运行时会处于严重的电晕状态下，甚至处于火花放电状态下，极大的影响电机的安全运行[1]。

某水力发电厂的水轮发电机组属上世纪80年代设计制造的机型，定子绕组为3相9分支双层波绕组接线，正常运行额定电压为13.8 kV，是国内环氧粉云母绝缘的早期应用典型，由于当时采用的防电晕材料附着性差，电阻值不稳定，加上对环氧粉云母绝缘防电晕的特性认识不足，导致多台早期使用环氧粉云母绝缘的发电机定子端部发生不同程度的电晕和电腐蚀现象，使电机不得不修理[1]。

1.1 定子绕组端部防晕的目的
定子绕组的防电晕可分为两部分，即槽部防晕和端部防晕。

所谓槽部防晕是指定子绕组嵌入铁芯槽内部分的防晕，目的是在电机运行过程中使槽内绕组不产生电晕，不对定子铁芯放电，并且不过热。

端部防晕是指定子绕组端部的防晕，其目的是使定子绕组的端部电场分布均匀，使绕组在1.5Un下不产生电晕，在绕组和绕组耐压试验时不放电，绕组表面不过热。

在运行时，定子绕组端部相间无电晕。

1.2 定子绕组端部防晕的结构
端部电晕包括2个部分，绕组端部(出槽口外)表面按规定的不同部位敷设不同电阻值的高电阻防晕层；高电阻防晕层外敷设附加绝缘或覆盖漆层。

在线圈端部敷设高电阻防晕层一般采用多级防晕结构，即靠近铁芯处为低阻层(为槽部防晕层的延伸)，然后为高阻层，低阻层和高阻层相互搭接约20 mm(如图1)。

线圈端部高电阻防晕层的电阻值通常是非线性的，即防晕层电压高时，电阻变小；电压低时电阻变大。

而掺有碳化硅(SiC)微粉的高电阻防晕漆就具有这种非线性。

因此现在大多数高压电机定子线圈端部防晕材料中都含有碳化硅。

另外，绕组端部
防晕层已延伸至整个绕组的端部，包括斜边垫块和端箍[1]。

一次成型防晕结构，防晕层与主绝缘是在绝缘固化的过程中联成整体的，主绝缘与防晕层之间不存在气隙，防晕层耐磨耐刮，运行稳定性好。

若在防晕层外再敷设一层附加绝缘，起晕电压将比露在外面提高一倍左右。

附加绝缘(如图1)一方面将电场集中区域内的防晕层与空气隔离开，另一方面使防
晕系统近似于内外双层屏蔽结构。

仅当电场达到或超过这层绝缘外部空气游离强度时，才有电晕现象发生；并且这层附加绝缘能够减少一次成型的防晕工艺中，高阻防晕层内导电粒子随绝缘胶流失的现象，起到稳定防晕层的作用[2]。

该机型的一种电晕放电主要发生在定子绕组出槽口位置，此位置为绕组端部感应电荷释放通道的电荷堆积区，此部位为高场强区域。

正常情况下出槽口部位空气击穿场强约为3 kV/mm，在场强不均匀，发生畸变时极易达到空气击穿场强发生电晕。

该机型另外一种电晕放电，发生在定子绕组出槽口直线段与R弯部交界处的上下
层绕组之间，属于绕组之间电晕放电。

主要是上下层绕组端部间距不够造成的表面放电。

长期运行之后，它通常会引起绕组表面的电腐蚀情况。

在目视检查时，会发现绕组表面存在白色粉末，该粉末为臭氧或其他化学物质腐蚀的结果。

这种白色粉末一般出现在运行中处于高电位的绕组上。

当他们与灰尘和油混合后，可能变成褐色或灰色。

发电机的电晕放电是高压线圈绝缘表面某些部位电场分布不均匀，局部场强过高，导致附近空气电离而引起的局部放电。

电晕放电本身的放电强度不高，但电晕的存在会降低绝缘材料的性能，对绕组的防晕层、主绝缘产生腐蚀[3]。

电晕的化学效
应会产生O2和N2的化合物，即白色的附着物。

根据该机型的绕组防晕结构、防晕层制造工艺以及电机的运行情况，该处发生的电晕主要受下面几个方面的影响。

2.1 绕组在运行中所处的电位
定子绕组端部沿面场强分布，随电压增加而变的极不均匀，电晕放电现象也越来越剧烈。

在对机组绕组进行检查时发现高电位线棒的电晕腐蚀情况比较严重，而中性点附近的线棒所处电位较低，大部分不存在电晕腐蚀问题。

在发现电晕放电痕迹的槽，其运行电位均接近相电压，线棒处于较高运行电位，使出槽口部位形成更高的感应电压和场强，容易产生电晕[4]。

根据电晕痕迹点统计，共计93处，见表 1。

对这93处绕组所处的电位进行分析
发现，其中一部分同槽内上下层绕组之间运行中的电位差均达到或接近额定线电压，另一部分绕组其中一根在运行中处于低电位，但同槽内的另一根处于高电位(接近
或达到额定相电压)。

而对于运行中处于较低电位或电位差较小的绕组均无明显的
电晕放电痕迹。

由此可见，较高的电位差是导致电晕放电发生的根本原因。

表1 电晕所在槽号及其上下层线棒间电位差统计(节选) V
2.2 低阻区受损及高低阻区搭接不良
拆除槽楔绑绳后发现，在低阻区域存在低阻层破损现象。

当低阻区域出现损伤或间断时，会在受损或间断部位形成高压，在损伤部位产生场强畸变形成高场强区，高场强外部空气游离产生电晕，或通过脏污绑绳或压指对地放电产生电晕。

该机型绕组属于少胶VPI整浸工艺生产的绕组，防晕层间的粘黏强度可能偏弱。

高低阻防晕带搭接部位可能在长期振动过程中出现附着性差、搭接不良的情况。

当高低阻搭接不良或防晕材料附着性差时，高阻区感应电荷释放通道受损，电荷堆积产生高压，与低压的低阻区域之间形成高场强，击穿搭接间隙产生电晕。

2.3 上下层绕组间距过小及表面脏污
在一个标准大气压、温度为室温、空气中湿度较低的情况下，均匀电场中空气的击穿场强约为3 kV/mm。

如果上下层绕组的间距过小，在平均设计场强为2.5
kV/mm的13.8 kV的上下层绕组之间，若间距小于5～7 mm，在承受额定线电
压的上下层绕组之间就会发生空气游离的局部放电。

该型号其中有一台机组的上下层绕组间距为1～3 mm(实测值)，其余机组的上下
层绕组间距为5～7 mm(实测值)。

运行多年后，其绕组间脏污堆积严重，且不易
清理，减小了上下层绕组之间空气绝缘距离，灰尘和油污的聚集堆积在高电位区域容易形成放电通道，从而造成电晕现象。

另外，出槽口部位脏污，会形成新的电荷释放通道，改变原有电场分布，使端部电场产生畸变，加剧电晕发生。

2.4 尖端毛刺
该机型的少量涤纶毛毡处理不净，在涂刷绝缘漆后，形成若干微小的毛刺。

毛刺使涤纶毛毡边沿场强分布极不均匀，降低了周围空气发生击穿的击穿场强，更加容易产生电晕(尖端放电)。

依据《DL/T 298-2011水轮发电机定子端部电晕检测与评定试验方案》[5]用交流耐压装置分相加压，在暗室肉眼观察定子绕组端部起晕情况，同时利用紫外成像仪测量光子数。

在所加电压数值下，保持一定的加压时间，以获得稳定的表面放电状态。

表面放电缺陷所产生的辐射光谱为280～405 nm，其90%的能量都位于紫外区域，因此它所发射的光主要部分是肉眼不可见的。

因此，紫外电晕成像仪适合观察记录表面放电。

大多数情况下，紫外成像仪所观测的电晕点都是肉眼不可见的。

因此肉眼可见的电晕点，紫外观测的光子数均非常密集。

尽管紫外成像仪比肉眼观察灵敏的多，但紫外成像仪的示数受仪器与电晕点的距离和角度影响较大[5]。

因此，在
用紫外成像仪进行观察时，须注意使用相同的增益量，同时保持相对固定的观测角度和距离[5]。

对该厂机组进行试验发现，前期检查发现并标定的电晕点，在试验过程中呈现明显的电晕图像。

该处出现点状电晕点，未出现连线或连片状电晕。

由于该型电机将于次年进行电气部分整体改造。

因此，本次处理对不同的电晕部位采取了不同的处理方式。

不同的处理方式对改善电晕的效果不尽相同。

为寻找最佳的电晕处理方法，该厂于机组检修期间对同型号且运行时间相近、电晕现象类似的4台水轮发电机采取了4种不同的处理方法，并通过起晕试验对比处
理后的电晕情况。

4.1 涂刷绝缘漆
涂刷绝缘漆方法是指清除定子绕组端部的电晕产物及杂物，并直接对电晕放电部位进行绝缘漆涂刷，喷漆后干燥24 h。

处理前后相关数据如表2。

根据电晕试验的结果，认为该处理方法能够延缓电晕放电对绕组附加绝缘的损坏，能对绕组附加绝缘起一定的保护作用，延缓其电晕放电烧蚀主绝缘，但无法消除电晕放电现象。

因为，该电晕点的防晕层仍然处于失效状态，无法有效的抑制电晕现象。

4.2 涂刷两遍高阻防晕漆及绝缘漆
涂刷防晕漆及附加绝缘漆方法是指在保留原有防晕漆及附加绝缘漆的条件下继续对绕组端部涂刷防晕漆及附加绝缘漆。

该方法具体处理工艺如下。

1)对发电机端部的绕组表面进行清理。

2)喷涂两遍高阻防晕漆。

两遍防晕漆涂刷间隔为24 h。

3)喷涂一遍绝缘漆，并干燥固化。

处理前后相关数据如表3所示。

通过暗室目测下的结果可以看出，在相同的试验电压条件下，起晕电压提高不明显，仍发生在高电位的绕组。

紫外电晕图像显示光子数略有上升。

虽未取得良好的处理效果，但绕组的主绝缘相关试验合格，该发电机投入正常运行。

运行7个月后停机检查，发现相同的部位仍然存在电晕放电的白色粉末，电晕放
电缺陷未消除。

电晕放电缺陷未消除的原因是，该电机检修在现场转子未吊出，刷漆作业空间异常狭小，使绕组外表面重新涂刷高阻防晕漆时无法按原方案使高阻漆
层搭接到铁芯上，从而未形成电荷的释放通道，致使补刷的高阻漆防晕层未起到防晕效果。

可见，高阻防晕层的搭接，是防晕层是否有效的关键(如图1)。

因此，此种防晕处理方案，应排除检修作业空间的限制后，再做进一步的验证。

4.3 上下层线棒间填充适形的绝缘材料
上下层线棒间填充适形绝缘材料方法是指用高抗电强度的绝缘介质替代空气作为上下层线棒间的绝缘介质，以增强上下层线棒之间抗电性能。

该方法具体工艺如下。

1)彻底清理绕组端部的电晕产物及杂物。

2)喷涂绝缘漆，并干燥24 h。

3)填充适形绝缘材料。

根据上下层线棒之间间隙及线棒宽度，制作合适的涤纶毡浸湿环氧胶后填充在线棒之间。

处理前后相关数据如表4所示。

电晕放电是发生在高电场中空气游离发生的局部放电。

从某种程度上讲，用适形的绝缘材料填入上下层绕组的气隙能够从根本上消除电晕放电。

但在实际工作现场，材料填充后固定不牢，会存在掉入通风沟影响散热的风险。

因此，现场不建议采用适形的绝缘材料填充。

4.4 局部防晕层重做
局部防晕层重做方法是指将发生电晕的绕组端部电晕层清理并重新制作防电晕层。

该方法具体工艺如下。

1)彻底清理绕组端部的电晕产物及杂物。

拆除发生电晕槽及相邻槽的槽口垫块，刮除绕组端部的防晕层，清除绕组毛毡等杂物，将表面打磨平整，清理干净。

2)涂刷低电阻防晕漆，新涂刷的低电阻防晕漆与铁芯搭接。

在绕组的整个周向涂刷2遍低阻防晕漆，涂刷间隔不小于8 h。

涂刷长度由铁芯向端部75 mm，在涂刷过程中做好防护，严禁将低阻漆污染到绕组其他部位。

3)高电阻防晕漆刷包。

低电阻防晕漆涂刷完成后，室温晾干大于24 h后，至铁芯
向端部50 mm处，涂刷一层高电阻防晕漆。

然后用玻璃丝带涂刷高阻防晕漆，半叠绕绕包在绕组上，边刷边包。

高阻防晕漆在使用前注意搅拌均匀，在使用过程中注意搅拌。

4)高阻漆外用环氧胶绕包一层玻璃丝带，恢复槽口垫块并刷附加绝缘漆。

在整个处理过程中，须注意：低阻漆都涂刷严禁污染到临近部位，否则会影响正常绕组的电场分布；低阻漆与高阻漆形成25 mm的搭接区，确保电位形成良好过渡；高阻防晕漆要持续搅拌，避免填料沉降导致阻值不匀。

处理前后，相关数据对比如表5所示。

电晕缺陷处理后，整机满足1.1倍额定电压不起晕的要求，试验中处理部位温度正常，相同部位紫外成像仪所显示的光子数比处理前明显减小，并且通过了定子交流、直流耐压试验。

电晕缺陷处理效果良好。

电晕试验中，无论是暗室目测和紫外电晕都会受环境客观因素以及人为主观因素影响较大，具体的电晕缺陷查找应以肉眼检查电晕产生的痕迹结合试验综合判定。

现场重做防晕层，能够有效的恢复防晕层的功能，消除电晕放电现象。

但由于检修现场作业面非常狭窄，临近都是正常绕组。

因此，必须严格控制拆除槽部垫块、刮除旧防晕层的高阻漆、涂刷低阻漆以及绕包高阻带的各关键步骤的检修工艺，避免检修过程中伤及绕组主绝缘。

喷涂绝缘漆虽无法消除电晕现象，但能对绕组附加绝缘起一定的保护作用，延缓其电晕腐蚀主绝缘。

通过运行和试验的数据证明，涂刷两层高阻防晕漆及绝缘漆的处理方法，并不能改善的防晕效果。

主要是由于防晕层的高低阻区并未形成良好的搭接，未形成电荷的释放通道。

不建议在现场中采用。

[5]GB/T7894-2009, 水轮发电机基本技术条件[S]
【相关文献】
[1]唐任远, 顾国彪, 秦和, 等. 中国电气工程大典第九卷: 电机工程[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008
[2]DL/T298-2011, 发电机定子绕组端部电晕检测与评定导则[S]
[3]徐云国. 影响电机电晕的因素[J]. 水电站机电技术, 1992(1): 32-38
[4]梅志刚, 王劲松, 龙飞, 等. 发电机定子绕组端部表面电晕查找试验的方法和标准[J]. 大电机技术, 2014(6): 5-8。