大型水泵電機定子線棒電暈現(xiàn)象的分析與處理

韓建波，王吉生，王曉宇

（山西萬家寨水控水資源有限公司偏關(guān)分公司，山西 偏關(guān) 036400）

1 引言

電暈放電，是指帶電體表面在氣體、液體等介質(zhì)中發(fā)生局部放電的現(xiàn)象，通常發(fā)生在高壓導(dǎo)線的周圍和高壓帶電體的尖端附近等電場強度很好的不均勻電場中，同時產(chǎn)生O3、N2O、NO2等物質(zhì)。

10 kV 高壓電機定子線圈在槽口處，線棒的絕緣表面電場分布極不均勻。當(dāng)局部場強達(dá)到臨界值時，氣體就會發(fā)生局部游離，在游離處產(chǎn)生藍(lán)色暈光，即電暈現(xiàn)象。電暈的產(chǎn)生伴隨著熱、O3和N2等物質(zhì)的產(chǎn)生，O3與空氣中的N2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成N2O。經(jīng)過與電機內(nèi)部水蒸氣的結(jié)合，形成酸性化合物，附著在電機內(nèi)部的線棒表面絕緣材料和其他金屬部件上腐蝕絕緣，造成絕緣老化降低絕緣性能，極易發(fā)生絕緣擊穿、線棒短路、定子燒毀等嚴(yán)重電機事故。

此外，因熱固性絕緣表面與槽壁接觸不良時，在電機電磁振動的作用下，將導(dǎo)致槽內(nèi)間隙產(chǎn)生火花放電。該火花放電造成的局部溫度升高，導(dǎo)致電機定子線棒膠粘劑變質(zhì)、碳化，股線絕緣性能降低和云母老化變白，進(jìn)而使股線松散和絕緣老化。將使絕緣表面受到嚴(yán)重侵蝕，破壞局部絕緣材料性能，當(dāng)局部絕緣材料的表面損壞后，電暈放電將集中于該部位并向絕緣內(nèi)部延伸，進(jìn)而發(fā)生絕緣擊穿、電機短路，嚴(yán)重威脅機組的安全穩(wěn)定運行和運行人員的生命安全。

2 問題描述

山西萬家寨水控水資源有限公司偏關(guān)分公司下轄的五座大型泵站，承擔(dān)著向首都提供生態(tài)供水和向山西省內(nèi)太原、朔州、大同等地提供生活、生態(tài)和工業(yè)用水的重要任務(wù)。其中，總一、二泵站的設(shè)計流量為48 m3/s,年供水量12 億m3，每座泵站安裝10 臺立式單級單吸離心泵，8 工2 備，單泵流量6.45 m3/s，配套電機功率12 MW，總裝機容量為120 MW。

機組電機自2001 年投運以來一直運行良好，近期根據(jù)年度大修計劃，對轄區(qū)內(nèi)部分機組進(jìn)行大修時，發(fā)現(xiàn)多臺機組電機存在定子線棒不同程度的電暈腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致部分定子線棒槽口處出現(xiàn)低阻防暈帶大面積脫落，云母裸露，如圖1、圖2 所示。如不及時處理，將導(dǎo)致絕緣擊穿、線棒短路，造成機毀人亡的重大安全事故。

圖1 低阻防暈涂層大面積脫落

圖2 低阻防暈涂層部分脫落

3 原因分析

3.1 定子線棒電暈原理分析

電機定子線棒電暈放電主要發(fā)生在定子線棒的出槽口處，該位置屬于套管結(jié)構(gòu)，是繞組端部感應(yīng)電荷的重要釋放通道，電場強度非常集中。一般情況下，3 kV/mm 左右的介電強度才能擊穿空氣，但線棒槽口處電場分布極不均勻，很容易產(chǎn)生擊穿強度電壓，導(dǎo)致電暈現(xiàn)象的發(fā)生。

定子線棒的端部在額定電壓下，其線棒絕緣與線棒之間的間隙處于強電場之中，由于線棒絕緣的介電常數(shù)εd和間隙介質(zhì)的介電常數(shù)εa對比而言,顯然εd>εa,間隙的場強Ea和電壓Ua要遠(yuǎn)大于線棒絕緣中的場強Ed和電壓Ud，該電場強度將按照比例分配到線棒的主絕緣和空氣氣隙上，間隙的場強可用以下公示表示：

式中：Ea為線棒結(jié)緣與線棒間隙中的電場強度;其中εa和εd為間隙介質(zhì)和主絕緣的介電常數(shù)；d為線棒主絕緣的單邊厚度；a為兩線棒間的空氣間隙；U0為運行電壓。當(dāng)間隙場強Ea等于或超過間隙介質(zhì)的擊穿場強時,將產(chǎn)生電暈放電。

由此可見，當(dāng)為線棒結(jié)緣與線棒間隙場強Ea等于或大于間隙擊穿場強時,就會發(fā)生電暈放電。綜上所訴：對于電機定子的端部線棒,導(dǎo)致電暈放電的主要原因為：主絕緣的介電常數(shù)εd過大、線棒間距a設(shè)計過近、線棒防暈設(shè)計或大修工藝不良等。

3.2 定子線棒電暈成因分析

（1）出廠時，線棒表面涂刷的防暈漆和纏繞的防暈帶搭接工藝不到位，從而導(dǎo)致線棒表面的絕緣漆凝固后形成細(xì)小毛刺，該毛刺導(dǎo)致定子線棒場強分布不均勻，降低空氣擊穿強度，導(dǎo)致尖端放電的發(fā)生。

（2）大修時發(fā)現(xiàn)發(fā)生電暈現(xiàn)象的機組，普遍存在定子線棒表面油污嚴(yán)重現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)其原因為定子槽口的低阻層表面長時間附著油污，導(dǎo)致低阻層絕緣強度下降或受損，在其受損部位就會產(chǎn)生很大的電壓，畸變場強通過油污綁繩和游離空氣發(fā)生對地放電，從而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

（3）電機的電暈與周圍溫濕度有關(guān)，該水泵電機安裝與地處黃河大峽谷的東岸巖體下140 m 處，經(jīng)地下交通洞與黃河?xùn)|岸相通，冬春季節(jié)潮濕的水汽經(jīng)交通洞進(jìn)入廠房，導(dǎo)致設(shè)備受潮結(jié)露，盡管已采取相應(yīng)的電機除濕措施，但仍有部分水汽進(jìn)入。導(dǎo)致電機定子線棒表面電阻率降低，起暈電壓降低，從而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

4 電機線棒電暈處理

4.1 外觀檢查及電暈試驗

經(jīng)對該電機進(jìn)行解體后大修過程中發(fā)現(xiàn)部分線棒的低電阻防暈涂層有部分脫落和破損如圖圖3 所示，并將有破損或脫落的線棒對應(yīng)的C 相進(jìn)線，進(jìn)行加壓試驗。當(dāng)C 相電壓增加至14.2 kV 時，電暈紫外線檢測儀檢測到的光子數(shù)值為11 670 個。如圖4 所示，可初步斷定該防暈層脫落處發(fā)生電暈現(xiàn)象。

圖3 低阻防暈涂層脫落

圖4 電暈檢測結(jié)果

4.2 電暈故障處理

經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)該電機定子線棒的不同部位，有多處低電阻防暈層出現(xiàn)破損和脫落，因此，特制定對該電機的電暈放電區(qū)域進(jìn)行防暈層處理方案，修復(fù)故障點的防暈層。

先將存在電暈故障的點，逐一確定并做好標(biāo)記，然后用棉白布仔細(xì)清理掉故障點周圍的油污及破損的防暈層，如圖5；用1 000 目的細(xì)砂紙進(jìn)行緩慢研磨防暈層脫落及損傷部位，并將處理周圍擴大到損傷區(qū)域周圍15 mm 處，磨掉周圍的白灰色磁漆，直到露出灰色的防暈層為止；然后用白棉布蘸丙酮清洗研磨區(qū)域，研磨區(qū)域使用小型涂漆刷均勻涂刷3遍低阻防暈漆。理論要求每遍涂刷需間隔8 h 及以上，但受工期及施工環(huán)境影響，為進(jìn)一步提高工作效率、保證施工質(zhì)量，采用烘干機進(jìn)行漆面烘干處理，從而使實際涂刷間隔縮短為3.5 h。經(jīng)過3遍涂刷后，靜置風(fēng)干5 h，然后在其表面纏繞低阻防暈帶。處理后的防暈層如圖6 所示。

圖5 油污處理

圖6 處理后效果

待低電阻防暈帶靜置風(fēng)干6 h 后，經(jīng)檢查其干燥程度已具備電暈試驗的條件后，然后對該電機的C 相加電進(jìn)行電暈試驗。當(dāng)電壓逐漸增加至該定子額定電壓的150%時，使用電暈紫外線成像儀進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)此時的光子數(shù)由原來故障前的11 670 個變?yōu)?，如圖7 所示。因此，可以得出結(jié)論：經(jīng)重新修復(fù)處理低阻防暈層后，電暈故障消失，線棒根部的防暈功能恢復(fù)正常。

圖7 當(dāng)C 相電壓為15 kV 時的光子數(shù)值

5 預(yù)防措施

5.1 加強電機出廠檢驗和大修驗收的質(zhì)量關(guān)

對于新購置的電機，要加強出廠廠驗；增加防電暈紫外線成像儀檢測項目，并及時對比檢測數(shù)值和電壓。

對于大修后的電機，要嚴(yán)把驗收質(zhì)量關(guān)；轉(zhuǎn)子回裝前，要及時組織人員進(jìn)行定子防電暈試驗的驗收。

5.2 加強電機上導(dǎo)、下導(dǎo)油槽油污收集能力

經(jīng)實踐證明，定子線棒表面附著的油污是導(dǎo)致電暈的一項重要原因；因此要加強電機上下導(dǎo)油槽油污收集器的收集能力，減少油污進(jìn)入。

5.3 加強電機周圍環(huán)境溫、濕度控制

經(jīng)實踐證明，電機周圍的溫、濕度過大是導(dǎo)致電暈的一項重要原因；因此要控制電機周圍溫、濕度變化，加強除濕機的投入，盡量為電機提供一個恒溫恒濕的工作環(huán)境。

5.4 增加電機局放檢測裝置進(jìn)行實時檢測

我司在后續(xù)的技改過程中，陸續(xù)增加了同步電機在線局部放電檢測系統(tǒng)（簡稱局放），該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動定時監(jiān)測，測量放電信號的幅值、極性、放電的相位、放電的次數(shù)等基本的局部放電表征參數(shù)及各類統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)，生成二維、三維放電譜圖、工頻周期放電圖、提供放電發(fā)展趨勢圖、歷史報表和預(yù)警報警燈功能。進(jìn)一步加強對電機局部放電的檢測和報警，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理。

6 結(jié)語

通過對大型水泵電機定子線棒電暈放電故障的解決，系統(tǒng)闡述了電暈形成原因分析、故障現(xiàn)象、處理措施以及驗證結(jié)果，并對電暈故障的成因結(jié)合實際運行工況進(jìn)行實質(zhì)性剖析并制定預(yù)防措施。經(jīng)后續(xù)的實踐檢驗，上述電機定子電暈故障的處理措施和預(yù)防措施效果良好。可作為同行業(yè)相類似的水電站或泵站大型電機定子線棒電暈故障的處理，提供一些有用的工作借鑒和參考價值。