10kV異步電動機(jī)定子繞組電暈放電指紋分布規(guī)律的研究

李傳揚(yáng)，宋建成，吝伶艷

（太原理工大學(xué)煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，太原 030024）

0 前言

高壓電動機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，主絕緣承受著熱、電、環(huán)境和機(jī)械等綜合應(yīng)力作用。端部絕緣是主絕緣裸露在外的部分，更容易遭受各種污垢和異物的影響，臟污在其表面積累，改變絕緣表面結(jié)構(gòu)，引發(fā)端部表面電暈放電。放電過程中，絕緣表面空氣間隙被擊穿，產(chǎn)生熱量，該熱量會損傷主絕緣中的有機(jī)材料，與此同時，放電過程中產(chǎn)生的高速電子也會轟擊絕緣層，加速其劣化。放電起初表象為白色粉末附著于放電部位，這是由于在電暈放電過程中，氣體發(fā)生電離并產(chǎn)生臭氧，臭氧同空氣中的氮氣發(fā)生反應(yīng)，其外在表現(xiàn)形式為白色粉末狀物質(zhì)。隨著放電加劇，主絕緣將加速老化，并最終導(dǎo)致單相對地?fù)舸┕收?。圖1所示為太原市某污水處理廠一臺630kW，10kV水泵用三相異步電動機(jī)發(fā)生槽口電暈放電現(xiàn)象，放電過程中產(chǎn)生的白色粉末附著于線圈表面的情況清晰可見。圖2所示為一臺由于長期發(fā)生槽口放電現(xiàn)象，已經(jīng)被迫停機(jī)維修的10kV三相異步電動機(jī)，由該圖可見，槽口的電暈放電已發(fā)展為高能量的火花放電甚至電弧放電，并將槽楔灼穿，導(dǎo)致單相接地故障。因此，對發(fā)生于高壓電機(jī)槽口的電暈放電發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行在線監(jiān)測勢在必行，通過實時獲取槽口電暈放電信息，進(jìn)行故障預(yù)警，提前安排停機(jī)維修，避免災(zāi)害發(fā)生。

圖1 槽口電暈放電跡象

圖2 槽口放電導(dǎo)致單相接地故障

然而，完成對發(fā)生于電機(jī)端部的電暈放電進(jìn)行有效地在線監(jiān)測與故障預(yù)警，需要大量的試驗，學(xué)習(xí)端部電暈放電指紋并掌握其變化規(guī)律才能在局部放電監(jiān)測過程中正確捕捉放電信號，評估故障程度，進(jìn)行故障預(yù)警。加拿大的Claude Hudon制作了多種高壓電機(jī)端部故障模型，在實驗室環(huán)境下，結(jié)合多種應(yīng)力作用，提取出相應(yīng)電暈放電指紋特征[1,2]，IRIS公司的 Greg Stone結(jié)合實驗室試驗與現(xiàn)場監(jiān)測，給出了存在于高壓電機(jī)中多種放電類型的指紋分布[3-5]；針對存在于高壓電機(jī)主絕緣端部電暈放電的研究，國內(nèi)也做了一些工作，但研究重點大部分集中在放電機(jī)理論述及預(yù)防措施改善方面[6-8]，通過真機(jī)線圈試驗提取放電指紋，分析其分布狀況的研究，國內(nèi)報道尚少。

本文定制了額定電壓為10kV的F級絕緣三相異步電動機(jī)定子線圈若干，對線圈端部低阻帶與高阻帶交疊部位進(jìn)行單因子老化，嵌入鐵心槽模型。在電磁屏蔽試驗環(huán)境下，通過無局放升壓變壓器施加電壓，誘發(fā)線圈產(chǎn)生端部槽口電暈放電，通過FLIR紅外熱像儀對槽口放電發(fā)熱部位進(jìn)行觀察，利用1400pF無局放耦合電容器作為局部放電采集儀器，通過哈弗萊DDX9101局部放電分析儀觀察并分析了線圈槽口電暈放電指紋隨電壓的發(fā)展趨勢。該研究能夠為10kV電動機(jī)絕緣在線監(jiān)測和故障預(yù)警提供判斷依據(jù)。

1 放電機(jī)理

氣體擊穿概率與氣體所處電場強(qiáng)度成正比[9]，沿槽口表面最大場強(qiáng)出現(xiàn)在低阻帶末端[10]。如圖3所示，高阻帶沿線圈從槽口低阻帶終端向繞組端部擴(kuò)展，并與低阻帶終端呈反錘形交疊，目的為了保證高阻帶通過交疊部位在電氣上接地。如果交疊部位受外界各種應(yīng)力作用，連接電阻升高，這將在交疊部位產(chǎn)生附加電阻性電流損耗，使該部位溫度升高，形成局部熱區(qū)，加速交疊部位絕緣老化，最終將導(dǎo)致交疊部位電阻升高[11]，其電位上升到接近繞組對地電位，此時，在交疊部位所處小段區(qū)域上便存在了很高的電勢差，使該部位產(chǎn)生致密的電場，導(dǎo)致放電發(fā)生。圖4所示為交疊部位老化前后，通過靜電電壓表測得線圈從槽口向端部延伸的電位變化趨勢。其中，交疊部位老化方式為剝除交疊處的低阻帶和高阻帶，露出主絕緣，來模擬現(xiàn)實中交疊部位電阻無窮大情況。如圖可知，高阻帶與低阻帶良好的交疊，是端部表面電位平滑升高的重要保障，這也就優(yōu)化了槽口電場分布，使其均勻分布于線圈端部，如果交疊部位電阻過大，將使該處產(chǎn)生較大電勢差，電場線密集度大大增加，最終超過該處起始放電場強(qiáng)，引發(fā)放電。

電暈放電一旦發(fā)生，將會使周圍的氣體電離，外在表象為有白色粉末狀物質(zhì)覆蓋于交疊部位表面[12]。同時，放電電離出的高速電子也將轟擊槽口主絕緣，導(dǎo)致有機(jī)絕緣化學(xué)鍵斷裂，隨著放電加劇，局部溫度也在不斷升高，絕緣老化加速，最終發(fā)生單相主絕緣對地?fù)舸┕收稀?/p>

2 試驗方案

2.1 試驗線圈

電動機(jī)定子線圈絕緣材料及制作方式是由電動機(jī)額定電壓和絕緣等級決定的，與電動機(jī)容量和尺寸關(guān)系不大。試驗線圈取F級絕緣10kV三相異步電動機(jī)新繞制的線圈若干，如圖5所示。線圈由山西昌生電磁線有限公司專業(yè)人員手工制作完成。線圈主絕緣材料為環(huán)氧云母帶，直線部分半疊包低阻帶一層，與其搭接的SiC高阻帶采用單層半疊包工藝，交疊部位寬度1cm，能反映國內(nèi)目前F級絕緣、10kV電動機(jī)的絕緣特性，具有代表意義。線圈制造工藝流程如圖6所示。

2.2 定子鐵心槽部模型

定子鐵心槽部模型由工業(yè)硅鋼片疊壓而成，槽深43mm，槽長通過適當(dāng)增減硅鋼片數(shù)量來調(diào)節(jié)，以使線圈端部交疊部位距出槽口處2.5cm，然后配以相應(yīng)槽底支撐鐵板緊固裝置。嵌入線圈時，將槽底部墊環(huán)氧玻璃布板以調(diào)節(jié)槽深，其上疊放一片環(huán)氧防電暈玻璃布板，將線圈放入，滑動活動槽齒使其緊靠線圈一側(cè)，同時調(diào)節(jié)緊固疊片數(shù)量，使活動槽齒與線圈緊密接觸。在保證線圈與左右兩側(cè)槽壁之間無多余空隙后，通過螺母上緊活動槽齒緊固裝置，確保線圈左右無法在外力下與槽壁發(fā)生相對運(yùn)動。槽楔材料為磁性環(huán)氧玻璃引拔槽楔，用橡皮錘從開口槽敲入，線圈同槽楔之間間隙通過填充環(huán)氧防電暈玻璃布板來調(diào)節(jié)，保證線圈在垂直方向上緊固，使其不會在外部應(yīng)力作用下發(fā)生松動。圖7為槽部模型示意圖。

圖7 定子鐵心槽部模型

2.3 試驗方法

試驗前，首先對試驗線圈外觀進(jìn)行檢查，因為絕緣表面任何異物堆積、局部損傷，以及表面由于制造不當(dāng)、搬運(yùn)等外力作用變得不平，都有可能導(dǎo)致線圈在加壓后在該位置產(chǎn)生密集電場，導(dǎo)致局部放電，對模擬故障指紋造成干擾[13]。

確保沒有外部損傷后，將線圈按照 2.2節(jié)所述方法嵌入槽內(nèi)，緩慢加壓至15kV，待指紋穩(wěn)定后，觀察放電指紋分布，若只出現(xiàn)主絕緣內(nèi)部放電特征，即正負(fù)半周放電次數(shù)基本相同、放電量大致相等，放電最大值不超過600pC，則可作為試驗用線圈。圖8所示為完好線圈在10kV下內(nèi)部放電指紋，落于圈內(nèi)類似于兔耳朵形狀的指紋分布，是由主絕緣內(nèi)部氣隙壁的狀態(tài)及氣隙內(nèi)氣體決定的[14]，屬于正常內(nèi)部放電，對試驗沒有影響。該方法旨在排除由于線圈缺陷導(dǎo)致的放電指紋干擾。

取通過測試的線圈10根，剝離低阻帶和高阻帶的交疊部位，露出主絕緣，剝離過程中應(yīng)特別注意只對低阻帶和高阻帶進(jìn)行破壞，避免損傷到主絕緣。圖 9為剝離交疊部位后的線圈。

將處理好以后的線圈依次嵌入鐵心槽部模型中，進(jìn)行加壓試驗測試。為得到穩(wěn)定的局部放電信號，本文在施加 6kV電壓（10kV電動機(jī)運(yùn)行中定子對地電壓）1h后，依次在4kV、5kV、6kV、7kV、8kV、9kV、10kV時進(jìn)行采集，每次采集時間300s，旨在得到相應(yīng)電壓下端部電暈放電指紋變化規(guī)律。

2.4 測量系統(tǒng)

測試系統(tǒng)如圖10所示。其中，Cx為試驗線圈；R為保護(hù)電阻；BPF為帶通濾波器，用來濾除電源中工頻以外的干擾信號；LPF為無局放隔離變壓器低通濾波器，用來濾除前級設(shè)備混入的高頻干擾；T為無局放充氣式試驗變壓器，保證了局部放電信號源的可靠性和唯一性；Cc為1200pF耦合電容，為局部放電信號產(chǎn)生一高頻通路；A為瑞士 HAEFELY公司生產(chǎn)的DDX9101型號局部放電分析儀，能夠呈現(xiàn)局部放電幅值相位二維指紋譜圖、三維譜圖和最大放電量，并通過遠(yuǎn)程計算機(jī)顯示和儲存；虛線框為屏蔽室。由于局部放電為寬頻帶的高頻放電現(xiàn)象，其頻段范圍可位于幾兆到幾十吉，由于試驗在電磁屏蔽室進(jìn)行，外界干擾低于 2pC，無需選擇特定頻帶以避開外界干擾，本試驗測量頻帶采用80kHz～500kHz。

3 試驗結(jié)果分析

在更換試驗線圈進(jìn)行試驗過程中，相同電壓下的最大放電量會隨著試驗線圈不同而發(fā)生改變，最終浮動在幾千到幾萬皮庫，但其指紋隨電壓變化規(guī)律與分布狀況大致相同，通過把握其特征，能夠很好地辨別出槽口電暈放電。由于篇幅所限，此處僅對其中一組線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖11所示為4kV、6kV、8kV和10kV下單根線圈放電指紋分布。

由圖可知，在4kV時，開始出現(xiàn)電暈放電的特征：外施電壓負(fù)半軸正放電（q+）的最大放電量和放電次數(shù)都較外施電壓正半軸負(fù)放電（q-）占優(yōu)勢，放電指紋呈現(xiàn)迅速上升趨勢。當(dāng)電壓升高到 6kV以后， q+的最大放電量（Qmax+）已經(jīng)升高到12000pC，q-的最大放電量（Qmax-）也升高到6000pC。隨著電壓繼續(xù)升高，正負(fù)放電的最大放電量持續(xù)增長，但 q-的增長速度相對較快，并于 10kV時達(dá)到了 25000pC，有趕超Qmax+的趨勢，此時，Qmax+為 30000pC。該最大放電量增長規(guī)律與槽放電指紋隨電壓變化分布規(guī)律大致相同。圖12所示為正負(fù)最大放電量隨電壓變化曲線圖。

不同于槽放電中q+具有陡峭的上升沿的特征，槽口電暈放電q+上升沿始終平緩，并且隨電壓的升高傾斜度變化不大，q+上段包絡(luò)線類似橢圓。

隨著電壓升高，正負(fù)放電脈沖的初始放電相位有向左偏移的跡象。該現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是由于主絕緣內(nèi)部氣隙放電發(fā)生的相位偏移導(dǎo)致的，具體原因如下：當(dāng)主絕緣氣隙電場強(qiáng)度達(dá)到放電起始場強(qiáng)（Einc）時，會在氣隙內(nèi)部產(chǎn)生局部放電。位于氣隙壁上的場強(qiáng)，是由外施電壓和氣隙壁前一次放電殘留電荷所產(chǎn)生電場疊加而成的。所以，即使電壓在過零點處，氣隙中還是存在電場的，而且隨著電壓的升高，該電場足以激發(fā)電荷產(chǎn)生放電。而槽口電暈放電主要集中于工頻相位 30°～120°和 210°～300°內(nèi)。

除了放電指紋上的特征外，槽口電暈放電外在的一些特征也能夠幫助識別。具體如下：

當(dāng)外施電壓達(dá)5kV時，能夠聽到咝咝放電聲，同時可以聞到臭氧的氣味。通過紅外熱像儀對測試線圈進(jìn)行觀察，端部搭接處紅熱現(xiàn)象清晰可見，這是由于交疊部位界面縫隙爬電與局部放電所致。其中，由于棱角處曲率相對較小，面電荷密度較高，附近的場強(qiáng)也相對較高，是局部放電易于發(fā)生的部位，局部放電產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)致該處溫度迅速升高，加速絕緣老化，最終導(dǎo)致?lián)舸７烹姛狳c分布位置如圖13所示。

圖12 正負(fù)最大放電量隨電壓變化曲線

圖13 放電位置紅外熱像圖

4 結(jié)論

本文建立了10kV三相異步電動機(jī)定子鐵心模型，對真機(jī)線圈端部交疊部位進(jìn)行破壞，在實驗室誘發(fā)了槽口放電，并通過提取放電指紋，研究分布規(guī)律，具體結(jié)論如下：

（1）槽口電暈放電在從誘發(fā)到發(fā)展過程中，最大放電量和放電次數(shù)始終呈現(xiàn)q+較q-占優(yōu)勢的特征，且q+上段包絡(luò)線呈橢圓形；

（2）槽口電暈放電在 4kV時開始發(fā)生，最大放電量隨電壓升高不斷增長，可達(dá)幾萬皮庫；

（3）不同情況下，其最大放電量數(shù)值可能有所不同，但其指紋呈特定幾何外形且隨電壓變化的趨勢不會發(fā)生改變；

（4）放電相位的左移，主要是由于內(nèi)部放電相位左移導(dǎo)致，槽口電暈放電主要集中于 30°～120°和210°～300°相位；

（5）發(fā)生于槽口棱角處的局部放電能夠產(chǎn)生高溫，對該處絕緣造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，大大加速絕緣老化。

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