水輪發(fā)電機(jī)定子線棒電暈腐蝕分析及處理

袁 林，徐青彪，熊 榮，胡方圓

(國家能源集團(tuán)大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 樂山 614900)

某水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規(guī)劃的梯級(jí)電站之一，共裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為165 MW的立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)，為三相立軸半傘式同步發(fā)電機(jī)，采用密閉自循環(huán)全空氣冷卻，2011-07-05日全部投產(chǎn)發(fā)電，定子繞組設(shè)計(jì)為585槽雙層疊繞，定子繞組連接為3Y性連接、中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器接地，發(fā)電機(jī)定子測溫元件分散布置在線棒層間、槽底及鐵芯齒壓板編號(hào)區(qū)域，發(fā)電機(jī)絕緣等級(jí)為F級(jí)。

定子線棒的防電暈結(jié)構(gòu)分為槽內(nèi)區(qū)域與槽外區(qū)域。槽內(nèi)防電暈結(jié)構(gòu)為：線棒主絕緣表面有一次固化成型的低阻防暈層，線棒一側(cè)和鐵心之間由半導(dǎo)體墊條固定，上下層線棒之間墊有半導(dǎo)體材料的層間墊條，下層線棒與槽底鐵心之間布置了半導(dǎo)體槽底墊條。其中，低阻防暈層與半導(dǎo)體墊條使線棒直線部分與鐵心線槽接觸緊密，避免由于線棒之間空隙和松動(dòng)而造成鐵芯線槽內(nèi)發(fā)生電暈。槽外防電暈結(jié)構(gòu)為：從鐵心向線棒端部方向設(shè)計(jì)了一次固化成型的高阻防暈層，高阻層表面包扎了防暈保護(hù)層。其中，低阻防暈層與高阻防暈層之間搭接長度為25～30 mm。定子線棒槽外防電暈措施可以使線棒端部從高電位向鐵心低電位平穩(wěn)過渡，避免產(chǎn)生較大電位差，能有效地抑制電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生。從出廠線棒檢查記錄及現(xiàn)場備品線棒重復(fù)檢查結(jié)果判斷，該防暈結(jié)構(gòu)滿足要求，起暈電壓遠(yuǎn)大于1.5Un，在耐壓(2.75Un+6.5 kV)時(shí)也未見明顯電暈[1]。但在實(shí)際運(yùn)行后，線棒端部部分位置出現(xiàn)了點(diǎn)狀及條狀電暈腐蝕現(xiàn)象，水輪機(jī)側(cè)相比發(fā)電機(jī)側(cè)數(shù)量較多。

1 電暈腐蝕情況

2018年03月，在4號(hào)機(jī)組定子絕緣盒更換時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分定子線棒端部距離鐵心高度為75 mm附近位置出現(xiàn)電暈腐蝕現(xiàn)象。電暈腐蝕現(xiàn)象表現(xiàn)為：局域聚集性白色小圓點(diǎn)，如圖1；線棒一側(cè)白色電暈腐蝕線，如圖2；線棒雙側(cè)出現(xiàn)貫通性的白色電暈腐蝕線，如圖3；較為嚴(yán)重的出現(xiàn)一道深凹的白色腐蝕痕跡，電暈區(qū)域伴有白色粉末，如圖4；在油污嚴(yán)重的線棒表面出現(xiàn)較多點(diǎn)狀電暈腐蝕點(diǎn)，形成電暈腐蝕面，如圖5、圖6；線板端部整體的油污情況較嚴(yán)重，如圖6。絕大部分的電暈腐蝕屬于輕度與中度腐蝕情況，其中少數(shù)出現(xiàn)較深的凹陷腐蝕痕跡。

檢修人員針對(duì)電暈腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了發(fā)電機(jī)起暈電壓試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)電壓加到額定相電壓9.09 kV時(shí)，在線棒端部出現(xiàn)小范圍的藍(lán)色熒光；試驗(yàn)電壓加到1.1倍額定相電壓10 kV時(shí)，在線棒端部出現(xiàn)大范圍較為明顯的藍(lán)色熒光現(xiàn)象，且主要集中在線棒端部電腐蝕區(qū)域及墊塊綁扎區(qū)域[1-2]。

圖1 電暈腐蝕點(diǎn)

圖2 線棒一側(cè)電暈腐蝕線

圖3 線棒雙側(cè)貫通性電暈腐蝕線

圖4 較深的凹陷腐蝕痕跡

圖5 電暈腐蝕面

圖6 線棒表面的粉塵油污堆積

2 電暈腐蝕原因分析

2.1 電暈及電暈腐蝕的概念

線棒的端部電暈是線棒表面空氣被電離后的一種現(xiàn)象，屬于局部放電的一種，對(duì)線棒的絕緣損傷相對(duì)較小，但由于會(huì)產(chǎn)生大量臭氧，且長期發(fā)展對(duì)絕緣還是會(huì)產(chǎn)生損傷。線棒端部局部放電主要產(chǎn)生于絕緣空隙(或粉塵油污空間)內(nèi)。形成條件是當(dāng)放電電壓超過這些空隙(或間隙)的擊穿強(qiáng)度，或是粉塵油污附著在絕緣體表面，使局部區(qū)域的絕緣強(qiáng)度下降，因此在電場集中區(qū)域，容易形成放電通道，長期發(fā)展后容易損傷線棒絕緣密實(shí)度，產(chǎn)生電暈腐蝕。

由于發(fā)電機(jī)定子線棒出槽口處、鐵芯段通風(fēng)溝處、線棒表面與鐵芯槽內(nèi)接觸不良處或有氣隙處、端箍包扎處及端部異相線棒間是屬于電場相對(duì)集中區(qū)域，電位分布極不均勻。若絕緣處理不良或間隙不足時(shí)容易發(fā)生局部放電使周圍氣體發(fā)生電離,出現(xiàn)藍(lán)色的熒光,并伴有放電響聲，產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。長時(shí)間的電暈，會(huì)在電暈區(qū)域內(nèi)形成化學(xué)腐蝕，電腐蝕和由此產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕統(tǒng)稱為電暈腐蝕，具體見圖7。電暈腐蝕發(fā)生區(qū)域見圖8。

圖7 電暈腐蝕形成示意圖

圖8 電暈腐蝕發(fā)生區(qū)域——高低阻搭接區(qū)域

2.2 線棒端部電暈腐蝕產(chǎn)生的原因

線棒端部距離鐵心高度為75 mm附近位置為線棒高阻和低阻搭接過渡區(qū)域，電場最為集中，電位梯度大。

在交流電壓下，線圈表面電位差為

(1)

因此引起線棒電暈的主要因素如下：①長時(shí)間運(yùn)行過程中，線棒端部長期受到熱應(yīng)力的作用導(dǎo)致防暈材料的老化；②防暈結(jié)構(gòu)不合理或防暈材料質(zhì)量不穩(wěn)定；③機(jī)組安裝質(zhì)量不符合工藝要求，造成縫隙內(nèi)沒有被填充密實(shí)及安裝過程中形成毛刺和尖角；④高海拔、環(huán)境相對(duì)濕度較大及線棒表面臟污等環(huán)境因素；⑤接線方式不合理，造成相間電位差過大[3]。

結(jié)合4號(hào)機(jī)組目前狀態(tài)及調(diào)查結(jié)果，產(chǎn)生電暈腐蝕的原因?yàn)椋涸跈C(jī)組長期運(yùn)行過程中，由于油污、灰塵、受潮等原因易引起表面電暈，長時(shí)間發(fā)展由于空氣電離產(chǎn)生的臭氧和水氣、絕緣等物質(zhì)反應(yīng)形成硝酸鹽，共同形成該部位的電腐蝕和化學(xué)腐蝕，產(chǎn)生白色粉末。隨著電暈時(shí)間的增加，電腐蝕的發(fā)展成顛覆式。高阻表面損傷后，放電就會(huì)聚集在損傷區(qū)域，并不斷向兩端擴(kuò)展，高阻層被腐蝕后形成凹槽，隨著損傷區(qū)域的擴(kuò)大放電強(qiáng)度將增加，腐蝕速度將加快。

若不進(jìn)行修復(fù)處理，沿線棒表面的電暈放電同時(shí)會(huì)逐層損傷主絕緣導(dǎo)致絕緣厚度逐漸減薄，由于云母具有優(yōu)良的耐電暈性能，該過程會(huì)很長。但長期發(fā)展也將影響定子線棒的使用壽命，且會(huì)產(chǎn)生大量的臭氧。因此，在發(fā)現(xiàn)該類電暈腐蝕時(shí)要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)處理[4]。

而在線棒與端箍、綁繩、墊塊的接觸部位發(fā)生的電暈現(xiàn)象，則是由于安裝時(shí)未按工藝要求將間隙填充密實(shí)，未將尖角及毛刺做修整處理，未將異物清理干凈。同時(shí)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的油污堆積也更容易導(dǎo)致產(chǎn)生局部放電，形成電暈現(xiàn)象。

3 電暈腐蝕的處理措施

3.1 線棒端部電暈腐蝕處理試驗(yàn)及效果

在對(duì)線棒電暈腐蝕處理前，對(duì)電暈腐蝕情況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)線棒端部高低阻搭接位置清除3～5 mm寬度的防電暈材料，隨后涂以新型高阻漆。在涂漆前與涂漆后分別進(jìn)行電暈試驗(yàn)[2]。

在涂漆前，對(duì)線棒加電壓到9 kV時(shí)，缺口位置發(fā)現(xiàn)電暈現(xiàn)象；在涂漆后，對(duì)線棒加電壓到35 kV時(shí)，未觀察到電暈現(xiàn)象，該高阻漆處理電暈現(xiàn)象效果明顯。

3.2 所需材料工具

電暈處理工具及材料清單見表1。

3.3 機(jī)組實(shí)際處理方法

根據(jù)對(duì)線棒與端箍、綁繩、墊塊的接觸部位發(fā)生的電暈現(xiàn)象的原因分析，該部位的處理為，在發(fā)電機(jī)組檢修期，對(duì)線棒端部的粉塵及油污進(jìn)行了徹底的清掃。對(duì)機(jī)組下導(dǎo)軸承甩油及風(fēng)閘制動(dòng)粉塵分散情況，采取了行之有效的措施，避免后續(xù)運(yùn)行過程中線棒端部油污堆積。

表1 電暈處理工具及材料清單

對(duì)已經(jīng)發(fā)生電暈腐蝕的線棒，采用了通過試驗(yàn)驗(yàn)證的材料及工藝，對(duì)已經(jīng)開始劣化的高阻部分進(jìn)行了修復(fù)，減小了該部位的電位差，消除了電暈。其中，對(duì)電暈腐蝕輕微，還未對(duì)高阻層造成損傷的部位，選擇進(jìn)行清潔后通過涂抹硅膠的方式對(duì)高阻進(jìn)行防護(hù)。處理步驟如下。

1)將處理線棒端部進(jìn)行清掃擦拭，將表面灰塵等異物清理干凈。

2)將電暈位置上下各20 mm區(qū)域紅瓷漆清理干凈，露出高阻防暈層；清理時(shí)先用浸漬過溶劑的白布帶包繞在處理區(qū)域，待紅瓷漆軟化后再用環(huán)氧片將紅瓷漆刮除。

3)用砂紙輕輕將紅瓷漆去除區(qū)域高阻表面打磨粗糙，吹干凈浮灰后用丙酮擦洗干凈。

4)待丙酮晾干后，用排筆將已配制好的高阻漆均勻涂刷在電暈區(qū)域，注意不要有漏涂。待固化后再涂一遍；根據(jù)施工情況，每次配漆量盡量少；刷涂高阻漆過程中，嚴(yán)禁將高阻漆滴落在非缺陷處理區(qū)域，特別是低阻區(qū)域，如滴落后應(yīng)及時(shí)利用酒精白布進(jìn)行擦拭。

5)高阻漆完全固化后，標(biāo)記為嚴(yán)重、一般的線棒，在高阻表面再涂抹一層硅膠(厚度1 mm左右)，注意涂抹平整。

6)硅膠完全固化后，所有表面均勻噴涂一層C-188紅瓷漆。

高阻漆施工過程如圖9、圖10。

圖9 線棒刷涂高阻漆

圖10 處理后的電暈腐蝕區(qū)域

4 處理效果及結(jié)語

該水電站機(jī)4號(hào)組經(jīng)過多年的運(yùn)行，油污情況明顯，線棒電暈現(xiàn)象較為普遍，電暈腐蝕情況較為嚴(yán)峻。通過徹底的清洗處理后，采用最新防暈材料和處理工藝，對(duì)出現(xiàn)電暈腐蝕的部位進(jìn)行了處理。處理后，在整體交流耐壓過程中采用暗室目測的方法對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了電暈試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到1.1倍的額定線電壓時(shí)，未發(fā)現(xiàn)有電暈現(xiàn)象，處理效果比較明顯。建議后期運(yùn)行過程中，對(duì)處理部位及較易發(fā)生電暈的部位進(jìn)行定期巡回檢查，同時(shí)輔以局部發(fā)電在線監(jiān)測，進(jìn)行缺陷狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤與處理，保證發(fā)電機(jī)組健康穩(wěn)定運(yùn)行。