大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動機(jī)定子局部放電的研究

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

1 引言

1.1 局部放電

局部放電是發(fā)生在高壓絕緣空隙中或間隙中的小電火花，如果設(shè)備絕緣內(nèi)部存在弱點(diǎn)或生產(chǎn)過程中造成的缺陷，當(dāng)電壓應(yīng)力超過了在這些空隙中存在的氣體的電擊穿強(qiáng)度時，局部放電就會發(fā)生，其特點(diǎn)是在高電場作用下發(fā)生的重復(fù)擊穿和熄滅的現(xiàn)象。局部放電可能發(fā)生在固體絕緣的空穴中、液體絕緣的氣泡中、具有不同特性的絕緣層之間，以及金屬（或半導(dǎo)電）電極的尖銳邊緣處。由于氣體的擊穿場強(qiáng)比固體介質(zhì)低得多，氣體中的電場又比固體介質(zhì)中高，因此往往在氣隙的部位產(chǎn)生局部放電。

局部放電產(chǎn)生的條件是電壓和氣隙。當(dāng)氣隙中的電場強(qiáng)度達(dá)到電擊穿強(qiáng)度時（空氣的電擊穿強(qiáng)度約為3kV/mm），氣體被電離，從而有電流通過，造成局部導(dǎo)通。

1.2 局部放電脈沖特性

局部放電脈沖為上升時間極快的小電流脈沖，在放電原點(diǎn)處，脈沖的上升時間只有1～5ns，因此局部放電脈沖的頻率f在 50 ～ 250MHz之間，局部放電測量傳感器的頻率段應(yīng)包含局部放電脈沖的頻率段。

1.3 發(fā)電機(jī)定子的絕緣故障

圖1 局部放電脈沖信號

發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣老化或受損后，絕緣介質(zhì)內(nèi)部將出現(xiàn)裂縫、氣泡、氣隙等，當(dāng)外施電壓達(dá)到氣隙放電場強(qiáng)后，氣隙開始放電，起初放電的能量很小，它的短時存在并不影響定子的絕緣強(qiáng)度，但若發(fā)電機(jī)定子絕緣在運(yùn)行電壓下不斷出現(xiàn)局部放電，這些微弱的放電將產(chǎn)生累積效應(yīng)，從而產(chǎn)生高能量的電容性放電，使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致整個絕緣擊穿。

雖然局部放電會使定子絕緣劣化而導(dǎo)致?lián)p壞，但它的發(fā)展需要一定的時間，發(fā)展時間與設(shè)備本身的運(yùn)行狀況及局部放電的種類，與其產(chǎn)生的位置和設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。

因此，通過監(jiān)測局部放電可以有效地掌握定子的絕緣狀況，根據(jù)放電量的逐年變化及其大小可以判斷發(fā)電機(jī)定子絕緣的演變及現(xiàn)狀，尤其在絕緣隱患未發(fā)展到真正的缺陷之前，通過常規(guī)的絕緣試驗(yàn)（絕緣電阻，交流耐壓）檢查通常是發(fā)現(xiàn)不了的。

1.4 發(fā)電機(jī)定子的局部放電

發(fā)電機(jī)定子的局部放電可能在線棒的銅導(dǎo)體和接地的鐵芯之間的任何氣隙中產(chǎn)生，包括定子線棒絕緣內(nèi)部、線棒絕緣與銅導(dǎo)體接觸部分或者線棒絕緣表面。另外，在發(fā)電機(jī)定子中，線棒的絕緣外層并非都與鐵芯接觸，所以局部放電還會在繞組端部區(qū)域發(fā)生，當(dāng)絕緣受潮、表面臟污或外部防暈層損害時，線棒端部會發(fā)生表面放電或閃絡(luò)現(xiàn)象。

圖2 發(fā)電機(jī)定子線棒內(nèi)氣隙放電及其等效電路圖

2 發(fā)電機(jī)定子局部放電類型

根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組中局部放電發(fā)生的位置，其局部放電類型主要有繞組絕緣內(nèi)部放電、端部及出槽口放電、槽放電以及銅導(dǎo)體和主絕緣間放電4種。

2.1 絕緣內(nèi)部放電

由于制造工藝上的原因或在長期運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的作用，發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣老化，不可避免地會在絕緣層間出現(xiàn)氣隙。在運(yùn)行電壓作用下，氣隙中的場強(qiáng)很容易達(dá)到擊穿場強(qiáng)，出現(xiàn)絕緣內(nèi)部放電。內(nèi)部放電會產(chǎn)生大量能量很大的帶電粒子，這些高能帶電粒子以很高的速度碰撞氣隙壁，能夠打斷絕緣體的化學(xué)鍵，造成絕緣材料的表面侵蝕，局部放電產(chǎn)生的局部過熱，會造成高溫聚合物裂解而使絕緣損壞。通常在運(yùn)行電壓的作用下，氣隙首先擊穿，形成局部放電，內(nèi)部局部放電的電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的聯(lián)合作用，又進(jìn)一步使氣隙擴(kuò)大，造成絕緣有效厚度減少，使擊穿電壓進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

2.2 端部及出槽口放電

發(fā)電機(jī)定子繞組端部出槽口屬套管型結(jié)構(gòu)，電場分布極不均勻，場強(qiáng)集中，軸向場強(qiáng)最強(qiáng)，且此處屬低電位向高電位的過渡區(qū)域，盡管采取了一系列的措施（如低阻防暈涂層和分級防暈層等），仍是絕緣事故的多發(fā)區(qū)。對于防暈設(shè)計(jì)不理想的繞組，出槽口處極易發(fā)生高能量的電容性火花放電，嚴(yán)重的放電會逐漸燒損出槽口處線棒的主絕緣，導(dǎo)致絕緣擊穿。

通常發(fā)電機(jī)繞組端部采用綁扎或壓板結(jié)構(gòu)固定，在運(yùn)行中由于振動和摩擦使防暈層損壞時，會引起端部表面放電。由于發(fā)電機(jī)端部電場局部集中，一旦發(fā)生端部放電，將對發(fā)電機(jī)的絕緣產(chǎn)生很大的破壞作用。

2.3 槽部放電

槽部放電是指線棒主絕緣表面和槽壁之間的放電。其產(chǎn)生的原因是線圈的絕緣體在運(yùn)行溫度下，受熱膨脹較小使槽部表面不能和鐵芯槽壁完全接觸，存在間隙。在運(yùn)行中因振動或摩擦使槽部防暈層脫落或者線棒本身防暈層不足，當(dāng)間隙中的電場超過間隙的擊穿場強(qiáng)時，即發(fā)生槽放電。槽部放電是比電暈放電能量大數(shù)百倍的間隙火花放電。放電使空氣電離產(chǎn)生臭氧、氮及其氧化物與氣隙中的水分子起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕性很強(qiáng)的硝酸等，引起線棒表面的防暈層、主絕緣、槽楔、墊條等燒損和腐蝕。

2.4 銅導(dǎo)體和主絕緣間放電

與絕緣內(nèi)部放電類似，由于制造工藝上的原因或在長期運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的作用，定子繞組不可避免地會在銅導(dǎo)體和主絕緣間出現(xiàn)氣隙，在運(yùn)行電壓作用下，氣隙中的場強(qiáng)很容易達(dá)到擊穿場強(qiáng)，使導(dǎo)體和絕緣間出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。這種放電產(chǎn)生的能量使絕緣碳化，逐漸出現(xiàn)樹狀放電軌跡，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

3 發(fā)電機(jī)定子的局部放電特性

通過對大量數(shù)據(jù)的采集研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子的局部放電圖譜存在較明顯的放電特性，總結(jié)歸納如下：

3.1 局部放電的相位

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)研究，局部放電主要發(fā)生在正弦波的上升段，即每一周波的第一和第三象限，也就是電壓的上升段。在第一象限，當(dāng)外加電壓上升，氣隙兩端的正向電壓超過局部放電起始電壓時，氣隙開始放電。放電引起的氣隙兩端累積電荷建立了一個反向電壓使氣隙內(nèi)部的電壓減小。當(dāng)氣隙兩端的電壓再次上升到局部放電起始電壓時局部放電再次發(fā)生，如此循環(huán)直到外加電壓不再上升。此后，隨著外加電壓逐步下降，氣隙的電壓也逐步下降，當(dāng)氣隙的反向電壓超過局部放電起始電壓時局部放電再次發(fā)生。

但是，不同類型的放電在各象限的行為表現(xiàn)是不同的，并不是所有的放電都表現(xiàn)在一、三象限（比如線棒出槽口處放電），需要根據(jù)放電圖譜及放電特點(diǎn)來進(jìn)行具體分析。

局部放電脈沖與交流電相位的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

3.2 局部放電的極性

局部放電脈沖與外加的電壓趨勢是反向的，在交流正弦波的一個周波的正半周內(nèi)產(chǎn)生的局部放電為負(fù)放電，負(fù)半周發(fā)生的局部放電是正放電。即在工頻正弦波的第一象限，局部放電產(chǎn)生負(fù)的、下陷的脈沖；在第三象限，局部放電產(chǎn)生正的、向上的脈沖，這也可以認(rèn)為是負(fù)極性的局部放電發(fā)生在氣隙的正電壓增加的第一象限；正極性的局部放電發(fā)生在氣隙的負(fù)電壓增加的第三象限。

圖3 局部放電脈沖與交流電相位的對應(yīng)關(guān)系

3.3 局部放電的極性優(yōu)勢

由于局部放電脈沖具有的正、負(fù)極性特征，因此在分析局部放電數(shù)據(jù)時，根據(jù)其所表現(xiàn)出來的極性優(yōu)勢，可以判斷出局部放電發(fā)生的位置。

局部放電信號所表現(xiàn)出來的極性優(yōu)勢與由定子繞組各部位的材料特性有關(guān)系，銅導(dǎo)體及絕緣材料得失電子的能力間接反映局部放電脈沖不同的極性優(yōu)勢，因此通過測量得到的局部放電脈沖的極性優(yōu)勢可確定定子線棒局部放電發(fā)生的具體部位：局部放電脈沖如表現(xiàn)出正極性優(yōu)勢明顯，即正脈沖大于負(fù)脈沖，則局部放電多發(fā)生在繞組絕緣表面；局部放電脈沖表現(xiàn)出負(fù)極性優(yōu)勢，則局部放電發(fā)生在銅導(dǎo)體與主絕緣之間；局部放電脈沖表現(xiàn)出正負(fù)極性相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，則局部放電多發(fā)生在主絕緣內(nèi)部。

局部放電脈沖的極性優(yōu)勢與局部放電發(fā)生的位置對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 局部放電脈沖的極性優(yōu)勢與局部放電發(fā)生的位置對應(yīng)關(guān)系

4 抽水蓄能機(jī)組可逆式發(fā)電電動機(jī)定子局部放電

舉一實(shí)例論證通過對水輪發(fā)電機(jī)定子局部放電典型譜圖的研究，發(fā)現(xiàn)定子繞組存在的問題，借以論證其譜圖分析的準(zhǔn)確性。

抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電機(jī)與常規(guī)水電機(jī)組發(fā)電機(jī)不同，其為可逆式的發(fā)電電動機(jī)，運(yùn)行工況復(fù)雜，機(jī)組啟停頻繁，負(fù)荷不斷變化，尤其是發(fā)電工況下，根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷要求隨時都在調(diào)整負(fù)荷。發(fā)電電動機(jī)在發(fā)電工況和抽水工況下，具有不同的相序，因此同一臺機(jī)組同一相的同一分支在發(fā)電和抽水工況下有可能會表現(xiàn)出不同的局部放電現(xiàn)象。 因此，在進(jìn)行抽水蓄能機(jī)組的局部放電分析時，需要根據(jù)不同工況分別進(jìn)行分析。

某抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)，1996年投運(yùn)，額定容量200MW，額定電壓13.8kV，為3相3分支星接疊繞組，整個定子共180槽360根線棒，每相每分支為40根線棒串聯(lián)。在定子繞組的每相每分支的高壓出線處均安裝有一個80PF的電容型局部放電耦合器，用于采集局部放電脈沖。

該臺發(fā)電機(jī)由于早期防暈設(shè)計(jì)及端部綁扎設(shè)計(jì)的考慮不足，造成長期運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)定子繞組存在電腐蝕及線棒松動的問題。定子線棒的電腐蝕非常嚴(yán)重，尤其是出槽口及槽內(nèi)電腐蝕；線棒下端部存在松動現(xiàn)象。該機(jī)組于2006年安裝了局部放電在線監(jiān)測裝置。

自2006年至2013年，該發(fā)電機(jī)的局部放電發(fā)展趨勢如圖5所示。

檢查線棒是否存在松動的問題，較有效的方法是機(jī)組的發(fā)電工況變負(fù)荷試驗(yàn)，當(dāng)線棒松動時，局部放電為表面放電，表現(xiàn)出明顯的正極性優(yōu)勢，局部放電會隨負(fù)荷增加而增加。發(fā)電機(jī)中有電流通過的線棒在發(fā)電機(jī)磁場中受的電磁力與電流的平方成正比，F(xiàn)m∝I2，負(fù)荷增加，電流增加，因此線棒受力隨負(fù)荷增加而增大。如果線棒存在松動現(xiàn)象，隨著負(fù)荷增加的電磁力增大，線棒的松動隨之加劇，放電量隨之增大，機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)中，機(jī)組退出AGC運(yùn)行，負(fù)荷靠人工控制，可以很好地檢驗(yàn)線棒是否存在松動問題。該發(fā)電機(jī)在發(fā)電工況變負(fù)荷試驗(yàn)中采集的局部放電三維數(shù)據(jù)如下（圖中的QM為局部放電強(qiáng)度）。

圖5 發(fā)電機(jī)局部放電變化趨勢圖

A相支路1的局部放電特征：

（1）正極性優(yōu)勢明顯；

（2）正局部放電量隨負(fù)荷增長有很明顯的變化；

（3）局部放電相位分布在45°和225°左右；

（4）局部放電量在滿負(fù)荷時相對較大，超過373mV的正常經(jīng)驗(yàn)值。

根據(jù)局部放電特征分析，局部放電正放電優(yōu)勢明顯，且局部放電量隨負(fù)荷的增長由明線的增大趨勢，該支路存在線棒松動的現(xiàn)象。

B相支路2的局部放電特征：

圖6 A相支路1，發(fā)電負(fù)荷50MW，QM+：78mV，QM-：88mV

（1）正極性優(yōu)勢明顯；

（2）局部放電量隨負(fù)荷增長沒有很明顯的變化；

圖7 A相支路1，發(fā)電負(fù)荷100MW，QM+：297mV，QM-：192mV

圖8 A相支路1，發(fā)電負(fù)荷150MW，QM+：416mV，QM-：177mV

圖9 A相支路1，發(fā)電負(fù)荷200MW，QM+：761mV，QM-：183mV

圖10 線棒松動造成的磨損

（3）局部放電相位分布在45°和225°左右；

（4）局部放電量較大，超過373mV的正常經(jīng)驗(yàn)值。

根據(jù)局部放電特征分析，該支路線棒沒有明顯的松動現(xiàn)象，但是有較嚴(yán)重的表面放電現(xiàn)象，屬槽內(nèi)放電的可能性較大。

圖11 B相支路2，發(fā)電負(fù)荷50MW，QM+：764mV，QM-：397mV

圖12 B相支路2，發(fā)電負(fù)荷100MW，QM+：769mV，QM-：517mV

圖13 B相支路2，發(fā)電負(fù)荷150MW，QM+：916mV，QM-：620mV

圖14 B相支路2，負(fù)荷200MW，QM+：800mV，QM-：475mV

該相分支高電位線棒拆下后，觀察現(xiàn)象與局部放電分析基本一致，槽內(nèi)電腐蝕較嚴(yán)重，大部分防暈層已經(jīng)腐蝕掉，外層的玻璃絲云母帶逐漸腐蝕成白色粉末。

圖15 槽內(nèi)電腐蝕的線棒

如果槽內(nèi)電腐蝕發(fā)展很嚴(yán)重，而線棒端部綁扎設(shè)計(jì)不足的話，會加劇線棒松動。

圖16 A相，負(fù)荷50MW，QM+：2580mV，QM-：2974mV

A相支路1的局部放電特征：

（1）局部放電量非常大，接近3000mV，存在較嚴(yán)重的放電點(diǎn)，有可能已經(jīng)發(fā)展到電容性火花放電；

（2）沒有非常明顯的正、負(fù)極性優(yōu)勢；

（3）局部放電相位分布在0°（360°）、180°、45°、225°左右；

圖17 A相，負(fù)荷100MW，QM+：2526mV，QM-：3102mV

圖18 A相，負(fù)荷150MW，QM+：2389mV，QM-：2785mV

A相該支路線棒可能存在嚴(yán)重的出槽口放電現(xiàn)象，由于出槽口處放電情況較為復(fù)雜，因此其相位分布存在一定的不確定性，也有可能會出現(xiàn)在90°相位附近，如圖19所示，該支路為B相支路1，局部放電集中在90°附近，有可能存在出槽口放電。

圖19 局部放電圖譜

A相支路1的高電位線棒情況如圖20所示，與局部放電測量數(shù)據(jù)結(jié)果基本對應(yīng)，在出槽口處存在嚴(yán)重的電腐蝕問題，電腐蝕已經(jīng)發(fā)展到電容性火花放電，外部防暈層完全腐蝕掉，并逐漸燒灼到了主絕緣。

圖20 出槽口電腐蝕

對于抽水蓄能機(jī)組，實(shí)時在線測量時，抽水工況下的局部放電分析數(shù)據(jù)相對有效，發(fā)電工況下負(fù)荷變化過程的電磁干擾會引起局部放電數(shù)據(jù)的波動，因此發(fā)電工況測量的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)時大時小的頻繁波動，反映的往往不是發(fā)電機(jī)真實(shí)的局部放電情況，但是，對于有可能存在相間放電的情況，需要結(jié)合發(fā)電和抽水工況來分析。

局部放電與溫度的關(guān)系：主絕緣內(nèi)部或者靠近銅導(dǎo)體的空隙導(dǎo)致的局部放電（負(fù)放電占優(yōu)勢或者正負(fù)放電都無優(yōu)勢）受溫度影響較大。發(fā)電機(jī)剛啟動時處于冷態(tài)，溫度較低，這些部位的局部放電相對較高；發(fā)電機(jī)運(yùn)行一段時間后，銅導(dǎo)體有電流通過，不斷發(fā)熱，溫度比啟動時高，由于熱膨脹的作用，這些部位的空隙會變小甚至消失，因此局部放電會隨溫度上升呈下降趨勢。如果局部放電是發(fā)生在線棒表面（正放電占優(yōu)勢），局部放電會隨溫度上升而增大，呈正比關(guān)系。

5 結(jié)論

通過對局部放電測量三維譜圖的研究、分析、歸類及實(shí)例的驗(yàn)證，根據(jù)局部放電譜圖的相位、表現(xiàn)出的極性優(yōu)勢等特征，可分析并確定定子繞組局部放電發(fā)生的位置，判斷局部放電屬絕緣內(nèi)部、端部及出槽口還是槽內(nèi)放電，并可判斷是由線棒松動、電腐蝕還是表面臟污引起的局部放電，通過實(shí)例研究，論證了譜圖分析的正確性及局部放電分析查找定位的準(zhǔn)確性。

日常通過對局部放電在線數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測，可發(fā)現(xiàn)并總結(jié)其局部放電變化的趨勢，對于定子繞組的絕緣狀況監(jiān)視具有重要的數(shù)據(jù)佐證。