大型水輪發(fā)電機(jī)組定子電暈機(jī)理分析與防暈技術(shù)

趙建強(qiáng)

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱）

絕緣性能是評價水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的重要指標(biāo)，當(dāng)定子繞組線棒的絕緣性能下降甚至是失效后，電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng)，進(jìn)而發(fā)生局部放電。根據(jù)發(fā)生位置的不同，發(fā)電機(jī)的局部放電大體可分為主絕緣內(nèi)部放電、端部電暈、槽部電暈等幾種類型。了解不同電暈的發(fā)生機(jī)理，才能有針對性的采取防暈措施，讓水輪發(fā)電機(jī)以良好工況運(yùn)行。

1 水輪發(fā)電機(jī)組定子電暈機(jī)理分析

1.1 主絕緣局部放電機(jī)理分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組絕緣層之間、絕緣層與繞組線棒之間存在氣隙或氣泡時，有一定概率出現(xiàn)局部放電情況。局部放電的電壓與多種因素有關(guān)，例如絕緣材料的介電常數(shù)、氣隙的厚度等。本文在研究主絕緣局部放電機(jī)理時，把定子線棒主絕緣與氣隙看作雙層介質(zhì)，建立了等值模型，見圖1。

圖1 雙層介質(zhì)等值模型

圖1 中，U1和U2分別表示主絕緣和氣隙的電壓，E1和E2分別表示雙層介質(zhì)的電場強(qiáng)度，P1和P2分別表示雙層介質(zhì)的介電系數(shù)，D1和D2分別表示雙層介質(zhì)的氣隙厚度。在該模型中，雙層介質(zhì)的電場強(qiáng)度之比與介電系數(shù)之比成反比，即：

定子線棒上的電壓可通過下式求得：

假設(shè)主絕緣材料為環(huán)氧玻璃粉云母，則P1的值為4.5，P2的值為1.0。將數(shù)據(jù)帶入上式后，氣隙中的電場強(qiáng)度E2可表示為：

如果E2的值大于氣隙的擊穿場強(qiáng)，就會發(fā)生氣隙擊穿、局部放電的現(xiàn)象。實際上，發(fā)電機(jī)上使用的絕緣材料電擊穿強(qiáng)度通?？梢赃_(dá)到300 kV/mm 左右，相比之下空氣的電擊穿強(qiáng)度只有3 kV/mm。因此在絕緣內(nèi)部、絕緣層間、絕緣與繞組線棒之間出現(xiàn)氣隙后極易發(fā)生擊穿現(xiàn)象[1]。

1.2 槽部電暈機(jī)理分析

定子繞組絕緣線圈與槽壁之間存在間隙時，會形成一個法向場強(qiáng)，用Enm表示；假設(shè)在不受任何干擾情況下的均勻電場起始電離場強(qiáng)為Em，當(dāng)存在“Enm＞Em”時，會發(fā)生槽部電暈。其中，間隙法向場強(qiáng)可通過下式求得：

式中，D1和P1所示涵義同上；Uλ表示相電壓，單位為kV；D 表示間隙寬度，單位為cm。由計算結(jié)果可知，當(dāng)D 值在0.5 mm 左右時發(fā)生電暈的幾率最高。對于沒有采取任何防電暈措施的發(fā)電機(jī)來說，當(dāng)額定電壓達(dá)到6.3 kV 時就處于臨界電離狀態(tài)，如果電壓繼續(xù)升高則發(fā)生電暈。

1.3 端部電暈機(jī)理分析

對于大型水輪發(fā)電機(jī)來說，其定子繞組的端部大多采用套筒式結(jié)構(gòu)。對于絕大多數(shù)未經(jīng)過維修或改裝的設(shè)備，定子繞組端均不會采取防暈處理。其等效電路見圖2。

圖2 無防暈層時出槽口等效電路圖

圖2 中，Cs 表示主絕緣單位面積的表面電容，單位為F；Cv 表示主絕緣單位面積的體積電容，單位為F/cm2。以鐵芯為參照點(diǎn)，在距離鐵芯的x 處，定子線棒主絕緣的表面電壓可通過下式求得：

式中，ch 表示雙曲余弦函數(shù)，a 表示系數(shù)，L 表示端部長度，u 表示額定相電壓。通過上式可知，在距離鐵芯越近的位置，端部絕緣表面的泄露電流越大，相應(yīng)的槽口處電場強(qiáng)度更大（即表面電壓越高）。當(dāng)電場強(qiáng)度超過8 kV/cm 時，會出現(xiàn)電暈現(xiàn)象。此時的起暈電壓主要與絕緣厚度（d）、介電常數(shù)（P1）兩項因素有關(guān)，關(guān)系式為：

通過上式可以繪制出不同絕緣厚度下起暈電壓之間的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 未加防暈處理時定子出槽口的U 與d 關(guān)系曲線

圖3 中，Uφ表示發(fā)電機(jī)的相電壓，Uk表示起暈電壓。兩條曲線首次相交的點(diǎn)，表示達(dá)到了發(fā)生電暈的臨界狀態(tài)，此時必須要采取有效措施防止電暈的發(fā)生。

2 大型水輪發(fā)電機(jī)組定子防暈技術(shù)

2.1 槽部防暈技術(shù)

根據(jù)槽部電暈機(jī)理，發(fā)電機(jī)定子繞組的槽部防暈有兩種實現(xiàn)方式：一種是保證鐵芯電場分布均勻，使軸向場強(qiáng)維持在較低水平；另一種是增加繞組與槽壁接觸面積?；诖耍岢隽藘煞N對應(yīng)的防暈措施：

（1） 低阻防暈處理。在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)，在繞組主絕緣外側(cè)包覆低阻防暈帶或者是涂刷低阻防暈漆。這樣就能在繞組和鐵芯之間形成一條電荷釋放通道，讓繞組表面電場能夠沿著這條通道均勻分布，從而達(dá)到避免電荷集中、防止電暈出現(xiàn)的效果。在運(yùn)用低阻防暈技術(shù)時，要重點(diǎn)把握3 個技術(shù)要點(diǎn)：第一是所選用的防暈帶、防暈漆等材料，表面電阻率要維持在103～105 之間。如果表面電阻率太高，會導(dǎo)致電位梯度過大，防暈效果大打折扣；反之，如果表面電阻率太低，會加快材料損耗，防暈周期縮短[2]。第二是防暈材料能夠緊密地包覆在主絕緣層上，既不相互影響，又能成為一個整體。第三是防暈材料具有較高的熱穩(wěn)定性，電阻不會受到溫度變化的影響。

（2） 半導(dǎo)體槽襯彈性固定工藝。在水輪發(fā)電機(jī)工作過程中，由于自身的機(jī)械振動或者是材料老化、腐蝕等原因，都會導(dǎo)致繞組發(fā)生位移，出現(xiàn)接觸不良情況，進(jìn)而出現(xiàn)電暈?；诖?，需要改良定子繞組的固定方式，本文提出了一種半導(dǎo)體槽襯彈性固定工藝。將具有半導(dǎo)體性質(zhì)的彈性槽襯材料（如膠狀硅脂復(fù)合膠）包裹在線棒表面，然后再放入線槽中。由于膠體材料具有良好的膨脹性能，可以支撐繞組線棒與鐵芯之間始終保持良好機(jī)械接觸，避免繞組線棒下沉，達(dá)到防暈效果[3]。

2.2 端部防暈技術(shù)

已知槽口電場分布不均勻是造成線棒端部電暈的主要原因，要想達(dá)到防暈效果必須要使端部電場均勻化，目前常用的方法有電阻分壓防暈法和附加絕緣防暈法等。

2.2.1 電阻分壓防暈

該方法的防暈機(jī)理是在繞組端部（即出槽口處）的表面增加不同電阻率的高阻防暈材料，為了提高防暈效果通常會將多種防暈材料疊加，形成多級防暈結(jié)構(gòu)。例如“低阻帶+高阻帶”兩級防暈結(jié)構(gòu)，或者是“低阻帶+中阻帶+高阻帶”三級防暈結(jié)構(gòu)等。理論上來說，防暈結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，起到的防暈效果越理想，但是在實際應(yīng)用中還要考慮技術(shù)成本、工藝難度等因素。對于大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)，采用3 層防暈結(jié)構(gòu)即可滿足電阻分壓防暈要求。除此之外，防暈材料的選用也是決定電阻分壓防暈效果的重要因素，早期主要使用固定阻值的高阻材料，近年來以碳化硅為主要成分的半導(dǎo)體高阻材料被廣泛應(yīng)用，其阻值具有非線性特點(diǎn)，可根據(jù)外部場強(qiáng)的變化而變化，防暈效果更加理想[4]。為了驗證兩種材料的電阻分壓防暈效果，設(shè)計了對照試驗，非線性和線性防暈層的參數(shù)見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及材料屬性參數(shù)

從試驗結(jié)果來看，隨著出槽口距離的增加，兩種結(jié)構(gòu)下的線棒表面電位均出現(xiàn)上升趨勢。但是線性防暈結(jié)構(gòu)電位上升更快，在距離為300 mm 時達(dá)到了最大電位80.5 kV；非線性防暈結(jié)構(gòu)電位上升較慢，在距離為450 mm 時達(dá)到了最大電位85.4 kV。在線棒表面損耗密度方面，兩種結(jié)構(gòu)的最大表面損耗密度均出現(xiàn)在中阻層靠近鐵芯處，但是線性防暈結(jié)構(gòu)的表面損耗密度更大，達(dá)到了0.43 W/cm2，見圖4。

圖4 線性和非線性防暈結(jié)構(gòu)的防暈效果對比圖

結(jié)合試驗結(jié)果可知，在發(fā)電機(jī)的端部防暈處理中，可以優(yōu)先考慮碳化硅等非線性防暈材料，能夠讓槽口電場的分布更加均勻，從而達(dá)到防暈效果。

2.2.2 附加絕緣防暈

所謂附加絕緣，是在繞組端部已經(jīng)設(shè)有防暈層的基礎(chǔ)上再附加介電常數(shù)較小的絕緣材料，使繞組端部的空氣法向場強(qiáng)維持在較低水平，增強(qiáng)防暈?zāi)芰?。另外，附加絕緣材料也能在一定程度上保護(hù)防暈層，對延長防暈保護(hù)時效也有一定效果。在絕緣材料的選擇上，目前主流的材料是以氧化鐵為主要成分的紅瓷漆。

2.3 定子繞組接線優(yōu)化降低端部電暈

上述方法主要是改良繞組端部防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)而達(dá)到防暈?zāi)康模酥庖部梢詮膬?yōu)化定子繞組接線方式著手，通過縮小發(fā)電機(jī)端部線棒之間的電位差，同樣能夠達(dá)到防止電暈發(fā)生的目的。事實上，隨著水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)規(guī)模的增加和額定電壓的升高，以改良端部防暈結(jié)構(gòu)或者是優(yōu)化端部防暈參數(shù)為主的防暈措施，實用性正在逐漸降低，相比之下優(yōu)化繞組接線的防暈效果更加適用于大型發(fā)電機(jī)[5]。以一臺額定電壓25 kV、額定功率為900 MW 的水輪發(fā)電機(jī)為例，在沒有采取防暈措施前，線棒間的最大電位差為0.46 UN；使用定子繞組接線優(yōu)化方法，把繞組分支的高電位線棒布置在相帶中間，把低電位線棒布置在相帶兩側(cè)，再次測量線棒間的最大電位差，測量結(jié)果為0.31 UN，相比優(yōu)化前降低了32%，效果明顯。

3 結(jié)論

在大型水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中，定子繞組槽部和端部由于結(jié)構(gòu)特殊，加上生產(chǎn)工藝不良、部件老化等因素的影響，更容易發(fā)生電暈現(xiàn)象，輕則影響發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量，嚴(yán)重時還會造成停機(jī)事故。因此，了解大型水輪發(fā)電機(jī)定子電暈機(jī)理并采取防暈措施尤為重要。在定子繞組槽部采取低阻防暈和半導(dǎo)體槽襯彈性固定工藝，在定子繞組端部采取電阻分壓防暈和附加絕緣防暈措施以及優(yōu)化定子繞組接線方式等，都可以達(dá)到防暈效果。在實際工作中應(yīng)合理選擇防暈措施，切實提升防暈水平，維護(hù)水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。