大型電機定子線棒局部放電特性研究

何樹鵬，垣內(nèi)干雄，廣島聡，吳金水（.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 3006；.株式會社東芝，日本 東京 05-800）

大型電機定子線棒局部放電特性研究

何樹鵬1，垣內(nèi)干雄1，廣島聡2，吳金水1
（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會社東芝，日本 東京 105-8001）

摘要：大電機定子線棒由于其制造特點不可避免的會造成局部缺陷引起局部放電，其局部放電主要包括內(nèi)部放電、端部放電和槽部放電。根據(jù)放電位置的不同在測試時會出現(xiàn)不同的放電波形，但在實際測試中由于干擾因素的存在,對波形的判斷存在一定的難度。多膠絕緣VPR（Vacuum Pressure Resin Rich）工藝可以減少內(nèi)部放電。端部防暈層及槽部防暈層可以有效減少和抑制端部放電及槽部放電。

關(guān)鍵詞：定子線棒；局部放電；特點；VPR

1　前言

大電機定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)主要包括主絕緣及防暈層。其中主絕緣由環(huán)氧/云母/玻璃纖維復合組成的云母帶經(jīng)加熱加壓固化形成。防暈層包含槽部防暈層和端部防暈層，分別由低阻半導體材料和高阻非線性半導體材料一次或分多次固化在主絕緣表面形成。由于整個絕緣系統(tǒng)是由復合材料組成，且云母帶等材料使用時的錯位包扎工藝使得整個絕緣并不是一個完全均一的整體，而是不可避免的存在一些缺陷，這就會造成絕緣體內(nèi)部和表面某些部位的電場高于平均電場，形成電場集中，當缺陷部位的場強高于擊穿場強時，該部位就會被擊穿，而發(fā)生局部微放電。該放電不會立即形成整個絕緣貫通性的擊穿或閃絡(luò)，其他區(qū)域仍然保持著絕緣特性，該部位的放電就是局部放電。本文所指的局部放電主要指單根定子線棒的主絕緣內(nèi)部放電、端部放電和槽部放電。

2　局部放電的危害

定子線棒的絕緣老化雖然受機械、電、熱、環(huán)境等多種因素的影響，但局部放電被認為是造成絕緣局部老化的重要因素。局部放電的危害程度，一方面決取于放電的強度和放電次數(shù)的多少；另一方面也決取于絕緣材料的耐放電性能和放電作用下絕緣的破壞機理。

局部放電對絕緣的破壞有兩種情況：①放電質(zhì)點對絕緣的直接轟擊，造成局部絕緣破壞，逐步擴大，使絕緣擊穿；②放電產(chǎn)生的熱、臭氧、氮的氧化物等活性氣體的化學作用，使局部絕緣受到腐蝕，電導增加，最后導致?lián)舸?/p>

局部放電對定子線棒絕緣破壞的危險程度根據(jù)位置不同依次為：槽部放電、內(nèi)部放電、端部放電。

3　不同部位局部放電的特點

對定子線棒內(nèi)部放電、端部放電及槽部放電，不同部位的放電其放電原理也有各自的特點。

3.1內(nèi)部放電

絕緣內(nèi)部氣隙發(fā)生局部放電時，其等值回路如圖1所示。

圖1　內(nèi)部氣隙物理模型及等效電路圖

大電機定子線棒絕緣內(nèi)部氣隙周圍絕緣介質(zhì)基本相同，在放電過程中當極性改變時，在正負極性所在的相位上放電是對稱的，如圖2所示。

圖2　內(nèi)部氣隙放電波形圖

3.2端部放電

發(fā)電機定子線棒的絕緣是比較典型的套筒式絕緣結(jié)構(gòu)。其基本模型如圖3所示，在運行過程中電壓施加于線棒導體和鐵心之間，鐵心接地，端部電場分布主要集中于低阻末端，如圖4所示。

圖3　線棒絕緣結(jié)構(gòu)模型

圖4　線棒低阻末端電場分布示意圖

在忽略端部絕緣表面電容的情況下，通過理論計算，也可得出電場分布集中于低阻末端，不會因端部長度的變化有所改善。低阻末端電場強度：

可以通過增加絕緣厚度，減小體積電容的方法改善端部電場分布[2]，但考慮到實際制作及安裝情況，通常采用端部制作非線性半導體層，連續(xù)改變表面電阻率來均勻端部電場，防止端部放電的發(fā)生。

根據(jù)端部放電的特點，端部放電時放電部位兩端的絕緣介質(zhì)不同（一端為線棒絕緣，另一端為空氣），不同介質(zhì)在負極性(極性改變)時所釋放電子的面積不會完全相同，因而在正負極性的相位上所表現(xiàn)出的放電就不對稱，如圖5所示。

圖5　端部放電波形圖

3.3槽部放電

發(fā)電機槽部為防止放電在制作時會在主絕緣表面一次成型低阻防暈層，一般低阻防暈層和主絕緣會有良好的電氣接觸，新制線棒在試驗時槽部放電可以通過包繞鋁箔等方法抑制和消除。

槽部放電主要在線棒運行過程中受到電磁力振動，表面低阻層被破壞后發(fā)生。放電部位的一端是鐵芯，其他部位是絕緣，當金屬表面的一端為負極性時，則整個金屬表面將參與釋放電子，由于放電面積固定不變，其各次放電的幅值很大而又相等。改變極性時，即氣隙的絕緣端為負極性時，則絕緣端參與釋放電子的面積較金屬端小的多，所釋放出的電子也就較少，因而在正負極性的相位上所表現(xiàn)出的放電就極不對稱，如圖6所示。

圖6　槽部放電波形圖

4　減少線棒局部放電的方法

局部放電的抑制和減少主要通過以下途徑進行：①在制作過程中盡量減少絕緣中的空隙。如VPR工藝。由于絕緣固化前進行了真空干燥處理，固化采用液壓方式，所以可以最大限度的減少絕緣內(nèi)部空隙；②良好的端部防暈及槽部防暈結(jié)構(gòu)。

4.1局部放電的測試

在實際制作過程中正確找到局放源是對線棒局放進行改進的重要工作。測試方法一般參照GB/T-20833-2007進行。在有屏蔽室的情況下，局部放電測試主要受到接地系統(tǒng)及測試回路的影響。接地系統(tǒng)要求獨立一點接地，關(guān)于測試回路，以上標準有詳細說明，在此不做補充。

局部放電信號是一系列脈沖信號，根據(jù)測試局部放電的目的、敏感度、測試對象等不同，局部放電測試儀捕捉到的波形如圖7所示。有低頻率、寬帶、窄帶三種[3]。實際測試中一般選擇寬帶進行測量。

圖7　不同局部放電測試的波形

局部放電測試前的校正比較重要，只有正確校正后才能相對準確的獲得正確的局部放電信號。

圖8　局部放電測試校正波形

校正信號高于干擾信號時局部放電才能進行準確的測試。

實際測試時局部放電信號是一組持續(xù)時間非常短（10-9～10-7s）的非平穩(wěn)隨機信號，如圖9c所示，包括內(nèi)部放電、端部放電以及干擾，如圖9a、b所示。

圖9　局部放電測試波形

新制線棒未發(fā)生老化，局部放電波形圖有明顯的相位分布，偶爾出現(xiàn)幅值較高的脈沖一般認為是測試環(huán)境存在干擾造成的。

4.2真空處理對內(nèi)部放電的影響

定子線棒在制作過程中為減小主絕緣內(nèi)部空隙，在工藝上主要通過真空干燥工藝來實現(xiàn)。對于多膠云母帶絕緣體系，目前主要有模壓（HP-Hot Press）和真空液壓（VPR）兩種工藝。后者主要工藝特點為真空干燥及真空液壓，目的是在主絕緣固化前及固化過程中最大限度的消除絕緣內(nèi)部空隙。為了判斷真空處理對定子線棒局部放電的影響，將HP及VPR定子線棒在其額定電壓下進行局部放電測量，測試波形依次如圖10a、b所示。由圖可知HP線棒的局放值和VPR線棒局放值相比較大。說明對于相同絕緣結(jié)構(gòu)來說VPR工藝由于增加了真空干燥及固化方式為液壓，可以明顯的減小內(nèi)部局部放電的發(fā)生。

圖10　HP、VPR線棒局部放電測試波形

4.3高阻防暈層對端部放電改善

由3.2內(nèi)容可知，定子線棒導體接高壓時電場主要集中在接地電極末端的一段區(qū)域內(nèi)，即端部靠近低阻的范圍內(nèi)。通過測量定子線棒高阻處理前后局部放電（如圖11a、b所示），表明無高阻防暈層時波形不對稱（圖11a），符合理論分析。通過在低阻末端進行高阻防暈處理后放電波形基本對稱，表面高阻防暈層能明顯改善定子線棒端部電場分布，減少或消除端部局部放電。

圖11　線棒端部有無高阻防暈層的局部放電測試波形

4.4低阻防暈層對局部放電的影響

新制定子線棒表面一次成型低電阻防暈層，表面電阻一般在（1～10）kΩ，在此范圍內(nèi)只要線棒嵌入定子后和鐵芯接觸良好就不會產(chǎn)生局部放電。故線棒槽部放電一般發(fā)生在運行中表面低阻摩擦破損后。為表明低阻破損后對局部放電產(chǎn)生的影響，將新制線棒表面低阻剝離后進行測試，結(jié)果如圖12b所示，波形顯示各次放電幅值基本相等，且不對稱，和

5　結(jié)論

（1）發(fā)電機定子線棒局部放電根據(jù)發(fā)生部位的不同會有不同的放電波形。

圖12　線棒槽部有無低阻防暈層的局部放電測試波形

（2）局部放電測試容易受到外界干擾，只有消除干擾才能較準確的測得局部放電信號。

（3）多膠絕緣體系VPR工藝可以最大限度消除絕緣內(nèi)部空隙，減小絕緣內(nèi)部局部放電的發(fā)生。

（4）端部和槽部防暈層會明顯的影響局部放電，良好的防暈處理可以消除和減少端部及槽部的局部放電。

參考文獻：

[1]張任豫，陳昌漁,王昌長.高電壓試驗技術(shù)[M].3版.北京：清華大學出版社.

[2]宋建成，樂波堃，謝恒.大電機主絕緣多因子老化試驗中試驗線棒端部防暈技術(shù)的研究[J].電工技術(shù)學報，2000，15（3）.

[3]葉芬斌，孫國榮，中山泰弘.電氣絕緣性能的綜合檢測系統(tǒng)及運用[J].電子質(zhì)量，2008（3）.

中圖分類號：TM85

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）02-0058-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.016

收稿日期：2014-10-15

作者簡介：何樹鵬（1985-），男，助理工程師，從事大電機絕緣材料的開發(fā)及絕緣技術(shù)工作。