定子線棒層間電暈成因探究及處理

向天航，顧衛(wèi)坤，吳小平，楊大貴

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

0 序言

電暈是指帶電導(dǎo)體對(duì)周圍空氣進(jìn)行游離放電的現(xiàn)象，在一定的溫度和大氣壓下可以看到淡藍(lán)色的輝光放電。由于在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，很難觀察到定子線棒，故一般只能觀察到電暈后的痕跡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生電暈的類型有三種：定子線棒R彎部電暈[1，2]、定子線棒槽內(nèi)電暈、定子線棒層間電暈。其中定子線棒層間電暈最具備普遍性，故選擇定子線棒層間電暈作為理論分析原型。

1 原因分析

1.1 形成電暈放電通道

水輪發(fā)電機(jī)組定子線棒層間電暈是發(fā)生在上下層線棒之間，位置在定子線棒出槽口至R彎之間，如圖1所示。

圖1 定子線棒層間電暈部位Figure 1 Corona position between stator bars

將兩根線棒層間位置抽象為兩個(gè)極板，對(duì)上極板施加電壓U，則在極板間形成電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)方向是從上至下。帶電粒子在場(chǎng)強(qiáng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，正電荷會(huì)聚集到下極板，負(fù)電荷會(huì)聚集到上極板，即在電場(chǎng)作用下空氣發(fā)生電離。如圖2所示，正電荷沿實(shí)線箭頭運(yùn)動(dòng)到下極板，負(fù)電荷沿虛線箭頭運(yùn)動(dòng)到上極版。

圖2 層間電暈?zāi)Ｐ虵igure 2 Interlayer corona model

根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度越快。當(dāng)大量帶電粒子對(duì)上下極板進(jìn)行持續(xù)撞擊時(shí)，顯然會(huì)對(duì)極板表面材料造成損害。當(dāng)極板表面材料受到損害后，極板表面材料的分子結(jié)構(gòu)也會(huì)被破壞掉，更多的帶電粒子參與到高速運(yùn)動(dòng)，即可以看到電暈放電現(xiàn)象，其對(duì)極板的損害程度隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步加劇。電場(chǎng)強(qiáng)度公式如下：

根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度公式分析，當(dāng)電壓U和極板面積S一定時(shí)，影響電場(chǎng)強(qiáng)度的因素為極板間距d。當(dāng)電壓一定時(shí)，間距越小，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)越大。

發(fā)電機(jī)組線棒的額定電壓在設(shè)計(jì)時(shí)已確定，層間線棒電壓差值不可能超過(guò)其設(shè)計(jì)最大值。線棒間距也在機(jī)組安裝階段固定不變，故在正常狀態(tài)下其電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重電暈情況。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行多年以后，定子線棒層間易堆積灰層、油污等污物，污物的堆積導(dǎo)致線棒間距變小。線棒層間的間距下降，導(dǎo)致該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)直線上升。若該處線棒層間的設(shè)計(jì)電壓差較大，則形成強(qiáng)電場(chǎng)的概率大大增加。

當(dāng)線棒層間場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到空氣電離強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生電暈放電，電暈首先會(huì)將線棒表面污物燒毀至碳化。其電暈過(guò)程中的帶電粒子撞擊，以及電暈的熱效應(yīng)會(huì)直接損害線棒表面絕緣材料，加速絕緣材料過(guò)熱老化。

1.2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

1.2.1 產(chǎn)生臭氧

定子線棒層間結(jié)構(gòu)與介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧模型類似，介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧模型如圖3所示，與圖2層間電暈?zāi)Ｐ蛶缀跬耆粯覽3]。圖3中上下電極與圖2中上下極板類似，圖3中的發(fā)電區(qū)域等同于圖2中的極板間的間隙，雖然圖3中施加的是交流電壓，但發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，線棒層間的電壓也是隨時(shí)間變化的交流電壓，圖2中的電場(chǎng)方向?yàn)槟骋粫r(shí)刻的暫態(tài)。

圖3 介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧模型Figure 3 Ozone generation model by dielectric barrier discharge

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究成果，當(dāng)放電電壓增大時(shí)，產(chǎn)生臭氧的濃度在不斷增大，說(shuō)明放電間隙電場(chǎng)強(qiáng)度越大，氧原子電離分解越多，形成的臭氧更多。臭氧具有強(qiáng)氧化性，與定子線棒表面絕緣材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，直接氧化線棒表面絕緣材料，會(huì)損壞定子線棒的絕緣性能。

1.2.2 產(chǎn)生硝酸

在線棒層間電暈部位存在的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)電離空氣中的氧氣產(chǎn)生臭氧，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究成果，電離空氣中的氮?dú)猱a(chǎn)生氮化物與氧氣和水蒸氣反應(yīng)形成硝酸。臭氧和硝酸具有強(qiáng)烈的腐蝕性，會(huì)損害線棒表面絕緣材料，甚至破壞線棒的主絕緣，對(duì)線棒造成嚴(yán)重?fù)p壞。

其在現(xiàn)場(chǎng)的表象為電暈部位有白色粉末狀物質(zhì)，如圖4所示，其主要成分為硝酸鹽。

圖4 層間電暈的白色粉末裝物質(zhì)Figure 4 White powder-packed material for interlayer corona

所以分析電暈形成的原因?yàn)椋?/p>

（1）線棒層間污物堆積，線棒層間電壓差較大時(shí)，容易導(dǎo)致電暈；

（2）電暈部位發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步損害線棒絕緣；

（3）線棒絕緣材料老化使電暈持續(xù)惡化。

2 處理對(duì)策

2.1 常規(guī)處理方法

根據(jù)電暈原因分析，線棒層間污物堆積是形成電暈的原因之一，所以處理電暈缺陷第一步是清理層間污物。一般采用白布帶蘸酒精來(lái)回擦拭，或者用細(xì)砂紙打磨，將線棒層間污物清理干凈，然后根據(jù)電暈嚴(yán)重程度，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)一步處理。一般處理發(fā)電機(jī)定子線棒電暈的方法有以下幾種[5，6]：

（1）清洗法：用酒精或丙酮對(duì)電暈放電遺留痕跡進(jìn)行清洗。此方法主要適用于輕微電暈放電，放電產(chǎn)物主要是容易清洗的白色斑塊的情況。

（2）清理涂漆法：將電暈放電遺留痕跡用砂布、酒精、丙酮等清除干凈后，對(duì)防暈層進(jìn)行重新噴涂防暈漆，從而提高線棒防暈?zāi)芰Α４朔椒ㄖ饕m用于大面積電暈放電現(xiàn)象，且電暈放電嚴(yán)重時(shí)。

（3）隔離法：將環(huán)氧絕緣板置于上下層線棒之間，將上下層線棒隔離，切斷電暈放電的路徑，從而提高電暈放電電壓。該方法適用于局部放電嚴(yán)重，放電部位較少時(shí)。

（4）重塑防暈結(jié)構(gòu)法：將防暈層剝離，重塑線棒防暈結(jié)構(gòu)。此方法適用于防暈結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重時(shí)。

以上四種常用方法在處理定子線棒電暈時(shí)均有應(yīng)用，一般需要吊出轉(zhuǎn)子或拔出磁極。但是在機(jī)組檢修工期緊張，在不起吊轉(zhuǎn)子、不拔出磁極和線棒時(shí)，特別是在作業(yè)空間很有限的情況下，定子線棒層間電暈處理將十分困難，一般難以有理想的處理效果。

經(jīng)過(guò)探索研究，發(fā)現(xiàn)填充隔離法對(duì)處理定子線棒層間電暈效果良好。

2.2 填充隔離處理方法

在常規(guī)方法處理定子線棒層間電暈不理想時(shí)，可采用填充隔離法。填充隔離處理步驟如下：

（1）將純棉白布裁成寬不超過(guò)4cm，長(zhǎng)度不小于40cm的布條，準(zhǔn)備若干，用無(wú)水酒精將白布條浸濕。

（2）將白布條穿過(guò)定子線棒層間，來(lái)回擦拭該處電暈痕跡，可更換新的白布條，直至白布條表面無(wú)污物為止。

（3）當(dāng)定子線棒層間電暈產(chǎn)物不易清理時(shí)，可將0號(hào)砂紙裁成長(zhǎng)條狀，穿過(guò)定子線棒層間，來(lái)回打磨，不得傷到線棒絕緣，打磨后重復(fù)步驟2，直至定子線棒層間清理干凈。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)定子線棒端部層間電暈大小情況，將滌綸氈剪裁成一定的大小，一般為長(zhǎng)方形。將裁剪好的滌綸氈浸漬793絕緣膠，浸漬時(shí)間不少于半小時(shí)。

（5）待滌綸氈晾半干時(shí)，裁剪合適大小的諾麥克紙，包裹滌綸氈墊塞在上下層線棒之間，往諾麥克紙和滌綸氈之間灌注793絕緣膠。

（6）將諾麥克紙包裹的滌綸氈墊塞在發(fā)生電暈的上下層線棒之間，確保滌綸氈墊在上下層線棒之間無(wú)間隙。

在定子線棒層間填充諾麥克紙包裹的滌綸氈，實(shí)際上是增加了線棒層間的介電常數(shù)，可大大降低線棒層間的電場(chǎng)強(qiáng)度，有效防止該處再次發(fā)生電暈。

3 實(shí)際效果檢驗(yàn)

在檢修國(guó)內(nèi)某大型水力發(fā)電廠某機(jī)組時(shí)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組第225槽線棒有典型的層間電暈缺陷。由于機(jī)組檢修工期短，無(wú)法起吊轉(zhuǎn)子后作業(yè)，故采用隔離填充法進(jìn)行處理該缺陷。

處理完成后進(jìn)行定子線棒耐壓試驗(yàn)，當(dāng)加壓至1.1倍額定運(yùn)行電壓時(shí)，用紫外成像儀觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)第225槽線棒處光子數(shù)最低可到0，如圖5所示，試驗(yàn)證明處理效果良好。

圖5 處理后第225槽附近紫外成像圖Figure 5 After processing，ultraviolet imaging near slot 225

處理完成后，該機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行一年，待機(jī)組停機(jī)后進(jìn)行跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)采用填充隔離法處理的第225槽未再發(fā)現(xiàn)電暈痕跡。填充絕緣物仍然很緊實(shí)，沒有發(fā)生移位。跟蹤效果圖如圖6所示。

圖6 處理后跟蹤圖片F(xiàn)igure 6 Tracking pictures after processing

采用填充隔離法處理電暈的特點(diǎn)如下：

（1）切斷了線棒層間電暈放電的路徑。

（2）所需材料少、成本低，處理方法簡(jiǎn)便快捷，處理定子線棒層間電暈效果良好。

（3）處理工期短，不需要吊轉(zhuǎn)子或拔出磁極和線棒。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析定子線棒層間電暈的形成原因，提出了填充隔離處理方法，在發(fā)電機(jī)檢修工期短，作業(yè)空間有限時(shí)，對(duì)處理發(fā)電機(jī)定子線棒層間電暈有著顯著的作用。同時(shí)，為了避免機(jī)組定子線棒發(fā)生電暈，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）在機(jī)組定子線棒設(shè)計(jì)和下線安裝階段，應(yīng)嚴(yán)格控制線棒之間的間距。在滿足設(shè)計(jì)的情況下，線棒層間距離應(yīng)盡可能大。

（2）定期進(jìn)行發(fā)電機(jī)內(nèi)部檢查，對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部臟污情況進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)開展發(fā)電機(jī)內(nèi)部清掃工作是防止電暈的有效手段。

（3）針對(duì)不同的電暈情況，根據(jù)電暈的形成機(jī)理分析，采用可行的針對(duì)性方案消除電暈，恢復(fù)定子線棒的絕緣水平。