高壓電機(jī)定子繞組主絕緣擊穿原因分析

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(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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高壓電機(jī)定子繞組主絕緣擊穿原因分析

楊?yuàn)檴?/p>

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要分析了高壓電機(jī)定子繞組在試驗(yàn)中出現(xiàn)主絕緣擊穿的原因，以及電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，定子繞組在電流過載，浸漆工藝控制不當(dāng)，端部放電距離不足、局部放電等因素共同作用下造成的主絕緣故障，并提出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞局部放電；主絕緣擊穿；放電距離；氣泡

0引言

高壓電機(jī)定子繞組絕緣系統(tǒng)包括股絕緣、匝絕緣、主(對(duì)地)絕緣，這些部件特性各不相同，組合在一起的作用是確保不能發(fā)生電氣短路，保證定子導(dǎo)體上I2R損耗生成的熱量能被傳導(dǎo)到散熱裝置上，并抵抗磁場(chǎng)力的作用使導(dǎo)體不發(fā)生振動(dòng)。本文將結(jié)合我公司生產(chǎn)YKK630 6.6kV 500kW-6出廠試驗(yàn)擊穿及TAW950 10kV 2150-18端部局部放電故障加以說明。

1交流耐壓絕緣擊穿原因

1.1　交流耐壓試驗(yàn)原理

交流耐壓試驗(yàn)在被試電機(jī)額定電壓2U額+1000V以上進(jìn)行，從介質(zhì)損失的熱擊穿觀點(diǎn)出發(fā)，可以有效的發(fā)現(xiàn)局部游離性缺陷及絕緣老化的弱點(diǎn)(比如主絕緣內(nèi)部氣泡)。由于在交變電壓下電機(jī)繞組主要按介質(zhì)電容分壓，故能有效地暴露電機(jī)的絕緣缺陷。

1.2　交流耐壓主絕緣擊穿原因

高壓電機(jī)在出廠試驗(yàn)及電機(jī)交接驗(yàn)收時(shí)，繞組對(duì)地絕緣擊穿，主要考慮應(yīng)從定子繞組制造工藝性方面考慮。高壓電機(jī)繞組制造工序比較繁瑣，分為定子線圈繞制、熱壓型、絕緣包扎、定子嵌接線、定子浸漆等工序。

1.2.1線圈制造

高壓定子線圈由于電磁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，存在多匝數(shù)雙排繞制情況。當(dāng)此種線圈的寬窄比在6mm以上且電磁線窄邊比較薄時(shí)，就容易出現(xiàn)電磁線絕緣厚度累積公差，導(dǎo)致線圈雙排線之間形成高度差，在熱壓型工序沒有及時(shí)復(fù)型將導(dǎo)致絕緣包扎后將在線圈中形成小的氣隙，同時(shí)若云母帶有分層、斷帶及包扎層數(shù)不足情況，浸漆后將影響絕緣厚度及絕緣介質(zhì)分布，從而最終導(dǎo)致繞組出廠耐壓時(shí)對(duì)地絕緣擊穿。

1.2.2繞組浸漆

繞組浸漆至關(guān)重要，定子整體的VPI處理，可以消除主絕緣間的空穴以改善熱傳導(dǎo)，防止導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，減少局部放電的產(chǎn)生。如果浸漆不充分或不完全缺失，繞組在出廠耐壓及交接驗(yàn)收時(shí)，經(jīng)歷2U額+1000V耐壓1min試驗(yàn)，電機(jī)會(huì)因?yàn)橹鹘^緣介質(zhì)不均勻及有缺陷而發(fā)生局部放電，加快分子被電場(chǎng)力所拉開的電擊穿和撞擊游離式的電擊穿。我公司生產(chǎn)多臺(tái)YKK630 500kW-6電機(jī)由于同批次浸漆參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致出廠試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)連續(xù)破壓故障，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)電機(jī)繞組線圈有未浸透跡象(見圖1)，從而導(dǎo)致電機(jī)不到1min發(fā)生主絕緣對(duì)地?fù)舸┕收稀?/p>

圖1　未浸透主絕緣擊穿

2局部放電導(dǎo)致的主絕緣擊穿

在額定電壓6kV以上的線圈中，在主絕緣內(nèi)部或線圈表面上可能產(chǎn)生局部放電。如果主絕緣中存在一個(gè)空氣泡(絕緣發(fā)空或分層)，電場(chǎng)強(qiáng)度高到使空氣擊穿，就會(huì)導(dǎo)致電火花。電火花會(huì)腐蝕絕緣，如果不采取措施，反復(fù)的放電會(huì)最終在主絕緣上腐蝕出一個(gè)貫穿性的孔洞，導(dǎo)致絕緣失效故障。

2.1　局部放電擊穿原理

局部放電擊穿原理可用一個(gè)電容分壓器的電路來等效這個(gè)過程(見圖2)，就可以計(jì)算出氣泡上的電壓。假設(shè)氣泡是一個(gè)平板電容，那么可以先估算它的電容近似值，即

Ca=εA/da

(1)

ε=εrε0

(2)

式中，εr—相對(duì)介電常數(shù)；空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0，多數(shù)繞組絕緣材料介電常數(shù)為4.0;ε0—真空介電常數(shù)，等于8.85×10-12F/m;A—?dú)庀兜慕孛婷娣e；da—?dú)庀兜暮穸取?/p>

(a)線圈橫截面

(b)等效電路

氣泡的電容Ca與代表固體絕緣材料的電容Cin串聯(lián)。再利用式(1)，并假設(shè)固體絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)為4，絕緣材料電容的厚度為4mm。那么絕緣材料的電容量可以先估算出來。 參照?qǐng)D1通過簡(jiǎn)單的電路理論，可以算出氣泡的電壓Ua為

UaCa= UinCin

U0= Ua+ Cin

Ua= CinU0/ Ca+Cin

(3)

式中，若U額=10 kV，線圈處于相出線端則U0=5.77 kV，利用式(1)及式(3)可計(jì)算出氣泡上的電壓Ua=33%U0=1.9 kV,推算出氣泡上的電場(chǎng)強(qiáng)度E=Ua/da=3.8kV/mm，已超過了空氣的擊穿強(qiáng)度3kV/mm，氣泡中將會(huì)電氣擊穿，擊穿導(dǎo)致的電火花被稱為局部放電。這些放電對(duì)主絕緣是有害的。因?yàn)榉磸?fù)的局部放電通過打斷化學(xué)鍵最終會(huì)使固體絕緣劣化。

2.2　電流過載與局部放電引起的擊穿

如果電機(jī)運(yùn)行中，定子電流在幾分鐘之內(nèi)從空載轉(zhuǎn)為滿載或過載，銅線的溫度將迅速增加，銅線就要沿軸向膨脹，而此時(shí)，環(huán)氧-云母主絕緣溫度則非常低，因?yàn)闊崃繌你~線穿過主絕緣傳遞到鐵心需要耗費(fèi)幾分鐘時(shí)間，造成溫度升高銅線膨脹，而主絕緣膨脹較少，這就會(huì)在銅線和主絕緣之間產(chǎn)生軸向的剪切應(yīng)力，電機(jī)經(jīng)多次熱循環(huán)后就會(huì)使粘結(jié)疲勞，使銅線與主絕緣之間產(chǎn)生氣隙，空氣間隙處產(chǎn)生局部放電最終會(huì)在主絕緣上形成貫穿性的孔洞，導(dǎo)致主絕緣擊穿。

2.3　浸漆不良導(dǎo)致的局部放電擊穿

高壓電機(jī)主絕緣浸漆不充分，將使絕緣導(dǎo)熱率將低，繞組運(yùn)行溫度偏高，這也導(dǎo)致熱老化和導(dǎo)體振動(dòng)增加，造成主絕緣磨損，這時(shí)連接到相出線端處于高電位的線圈將會(huì)發(fā)生局部放電，PD會(huì)逐漸在絕緣上腐蝕出貫穿性的孔洞。如果繞組由多匝線圈繞制，而空隙又位于匝間絕緣附近，PD只需腐蝕相對(duì)比較薄弱的匝間絕緣，導(dǎo)致匝間絕緣擊穿，從而形成很大的環(huán)流，最終仍是造成主絕緣擊穿。

2.4　半導(dǎo)體涂層故障導(dǎo)致的局部放電擊穿

半導(dǎo)體涂層故障主要由于原材料質(zhì)量不良(局部涂層表面電阻值過高)及繞組制造過程中野蠻操作至使線圈低阻帶半導(dǎo)體涂層刮損未及時(shí)修補(bǔ)造成。如果局部涂層阻值較高的線圈正好處于相出線端，電容電流將從銅導(dǎo)體開始，穿過主絕緣，經(jīng)過半導(dǎo)體涂層再到鐵心。由于半導(dǎo)體涂層在線圈頂部和底部的窄面以及在通風(fēng)槽道部位不能直接接觸到鐵心，一部分電容電流必定還要并聯(lián)到線棒或線圈的表面流動(dòng)，如果涂層電阻值較高，沿側(cè)面流動(dòng)的電流會(huì)產(chǎn)生一些I2R損耗，使涂層這些部位的局部溫度升高。該溫升加上線圈運(yùn)行溫度，會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體涂層氧化，又會(huì)進(jìn)一步使其電阻值增加，從而使問題更趨于惡化。另如果半導(dǎo)體涂層制造時(shí)已經(jīng)破損，在線圈與鐵心之間將產(chǎn)生局部放電，而PD將繼續(xù)破壞周圍的半導(dǎo)體涂層，并逐步破壞主絕緣，最終導(dǎo)致主絕緣擊穿。

2.5　繞組端部間距不足導(dǎo)致的局部放電擊穿

高壓6kV以上電機(jī)繞組的環(huán)形引線之間，線圈連接線的絕緣處及端部引出線上，盡管所處位置不同，但如果它們靠的太近，就可能發(fā)生局部放電，特別是當(dāng)他們分屬不同相別時(shí)更是如此。因?yàn)椴煌鄤e的相鄰線圈可能會(huì)承受全值額定電壓，當(dāng)線圈間隙之間曾受的電場(chǎng)強(qiáng)度超過3kV/時(shí)，空氣將被擊穿，就會(huì)產(chǎn)生局部放電，在放電區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生大量白色粉末。長(zhǎng)期運(yùn)行將影響主絕緣。圖3為我公司生產(chǎn)的TAW950 2150-18由于高壓線路排列散亂無(wú)序，相與相間無(wú)放電距離，導(dǎo)致的局部放電故障圖例。

圖3　高壓線路相鄰異相相間無(wú)放電距離導(dǎo)致的白色粉末

3提升主絕緣介電強(qiáng)度措施

提升高壓電機(jī)主絕緣介電強(qiáng)度，首先必須加強(qiáng)生產(chǎn)制造工序的控制，即嚴(yán)格執(zhí)行浸漆烘干參數(shù)，定期對(duì)絕緣漆的黏度等性能指標(biāo)進(jìn)行抽檢，對(duì)浸漆設(shè)備的真空度、壓力等參數(shù)進(jìn)行定期檢查；線圈制造過程中嚴(yán)格控制云母帶及低阻帶等絕緣材料的質(zhì)量，防止由于材料問題形成的故障隱患；另繞組制造過程應(yīng)杜絕野蠻操作，絕緣刮損的應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)并控制繞組兩端端部尺寸一致，嚴(yán)格按工藝要求的放電距離進(jìn)行高壓線路排列布線，避免電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行出現(xiàn)局部放電的隱患。

另電機(jī)運(yùn)行過程也應(yīng)避免負(fù)荷突然的增加或減少，使鐵心、銅導(dǎo)體和絕緣的發(fā)熱盡可能的均衡，減少線圈收縮和膨脹之間的差異。

4結(jié)語(yǔ)

高壓電機(jī)定子繞組主絕緣擊穿故障，多數(shù)由線圈及繞組制造不良導(dǎo)致。因此加大線圈制造工序操作細(xì)節(jié)方面的控制(遇到質(zhì)量問題及時(shí)調(diào)整工藝，不傳遞不合格品)，才能提升線圈的制造質(zhì)量。同時(shí)在下、接線過程中杜絕野蠻操作損傷絕緣，嚴(yán)控繞組各種尺寸及接線距離。并加大對(duì)特殊工序(浸漆工藝流程)關(guān)鍵參數(shù)的控制，才能最有效的提升繞組的制造質(zhì)量，從根本上提升高壓電機(jī)繞組可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉一平.新編電動(dòng)機(jī)繞組修理.上海：上?？茖W(xué)出版社，2009.

[2]Greg C.Stone.旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[3]吳廣寧.高電壓技術(shù).北京：機(jī)械工藝出版社，2006.

[4]賈志東.發(fā)電機(jī)定子主絕緣老化特征的研究.電網(wǎng)技術(shù)，2000,24(4):7～11.

[5]趙博,張洪亮.Ansoft12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.1.

[6]陳文敏,黃開勝,何良遠(yuǎn)，等.基于Maxwell的單相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分析和設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2013.3(46).

[7]翟力,黃文美,宋桂英，等.基于最大效率的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2011.12.

Reason Analyses on Main Insulation Breakdown of

High-Voltage Motor Stator Windings

YangShanshan

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper analyzes the reason why main insulation breakdown of high-voltage motor stator windings occurs during the test, and why main insulation fault of motor during long time running caused by combined actions such as current overload of stator windings, improper control of immersion paint, insufficient distance of end discharge and partial discharge. Then relevant solutions are proposed.

Key wordsPartial discharge；main insulation breakdown；discharge distance；bubble

收稿日期：2015-09-25

作者簡(jiǎn)介：楊?yuàn)檴櫯?982年生；畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)制造工藝工作.

中圖分類號(hào)：TM303.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-7281(2015)06-0041-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.13