趙建強(qiáng)
(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱)
絕緣性能是評價水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的重要指標(biāo),當(dāng)定子繞組線棒的絕緣性能下降甚至是失效后,電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng),進(jìn)而發(fā)生局部放電。根據(jù)發(fā)生位置的不同,發(fā)電機(jī)的局部放電大體可分為主絕緣內(nèi)部放電、端部電暈、槽部電暈等幾種類型。了解不同電暈的發(fā)生機(jī)理,才能有針對性的采取防暈措施,讓水輪發(fā)電機(jī)以良好工況運(yùn)行。
當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組絕緣層之間、絕緣層與繞組線棒之間存在氣隙或氣泡時,有一定概率出現(xiàn)局部放電情況。局部放電的電壓與多種因素有關(guān),例如絕緣材料的介電常數(shù)、氣隙的厚度等。本文在研究主絕緣局部放電機(jī)理時,把定子線棒主絕緣與氣隙看作雙層介質(zhì),建立了等值模型,見圖1。
圖1 雙層介質(zhì)等值模型
圖1 中,U1和U2分別表示主絕緣和氣隙的電壓,E1和E2分別表示雙層介質(zhì)的電場強(qiáng)度,P1和P2分別表示雙層介質(zhì)的介電系數(shù),D1和D2分別表示雙層介質(zhì)的氣隙厚度。在該模型中,雙層介質(zhì)的電場強(qiáng)度之比與介電系數(shù)之比成反比,即:
定子線棒上的電壓可通過下式求得:
假設(shè)主絕緣材料為環(huán)氧玻璃粉云母,則P1的值為4.5,P2的值為1.0。將數(shù)據(jù)帶入上式后,氣隙中的電場強(qiáng)度E2可表示為:
如果E2的值大于氣隙的擊穿場強(qiáng),就會發(fā)生氣隙擊穿、局部放電的現(xiàn)象。實際上,發(fā)電機(jī)上使用的絕緣材料電擊穿強(qiáng)度通??梢赃_(dá)到300 kV/mm 左右,相比之下空氣的電擊穿強(qiáng)度只有3 kV/mm。因此在絕緣內(nèi)部、絕緣層間、絕緣與繞組線棒之間出現(xiàn)氣隙后極易發(fā)生擊穿現(xiàn)象[1]。
定子繞組絕緣線圈與槽壁之間存在間隙時,會形成一個法向場強(qiáng),用Enm表示;假設(shè)在不受任何干擾情況下的均勻電場起始電離場強(qiáng)為Em,當(dāng)存在“Enm>Em”時,會發(fā)生槽部電暈。其中,間隙法向場強(qiáng)可通過下式求得:
式中,D1和P1所示涵義同上;Uλ表示相電壓,單位為kV;D 表示間隙寬度,單位為cm。由計算結(jié)果可知,當(dāng)D 值在0.5 mm 左右時發(fā)生電暈的幾率最高。對于沒有采取任何防電暈措施的發(fā)電機(jī)來說,當(dāng)額定電壓達(dá)到6.3 kV 時就處于臨界電離狀態(tài),如果電壓繼續(xù)升高則發(fā)生電暈。
對于大型水輪發(fā)電機(jī)來說,其定子繞組的端部大多采用套筒式結(jié)構(gòu)。對于絕大多數(shù)未經(jīng)過維修或改裝的設(shè)備,定子繞組端均不會采取防暈處理。其等效電路見圖2。
圖2 無防暈層時出槽口等效電路圖
圖2 中,Cs 表示主絕緣單位面積的表面電容,單位為F;Cv 表示主絕緣單位面積的體積電容,單位為F/cm2。以鐵芯為參照點(diǎn),在距離鐵芯的x 處,定子線棒主絕緣的表面電壓可通過下式求得:
式中,ch 表示雙曲余弦函數(shù),a 表示系數(shù),L 表示端部長度,u 表示額定相電壓。通過上式可知,在距離鐵芯越近的位置,端部絕緣表面的泄露電流越大,相應(yīng)的槽口處電場強(qiáng)度更大(即表面電壓越高)。當(dāng)電場強(qiáng)度超過8 kV/cm 時,會出現(xiàn)電暈現(xiàn)象。此時的起暈電壓主要與絕緣厚度(d)、介電常數(shù)(P1)兩項因素有關(guān),關(guān)系式為:
通過上式可以繪制出不同絕緣厚度下起暈電壓之間的關(guān)系曲線,見圖3。
圖3 未加防暈處理時定子出槽口的U 與d 關(guān)系曲線
圖3 中,Uφ表示發(fā)電機(jī)的相電壓,Uk表示起暈電壓。兩條曲線首次相交的點(diǎn),表示達(dá)到了發(fā)生電暈的臨界狀態(tài),此時必須要采取有效措施防止電暈的發(fā)生。
根據(jù)槽部電暈機(jī)理,發(fā)電機(jī)定子繞組的槽部防暈有兩種實現(xiàn)方式:一種是保證鐵芯電場分布均勻,使軸向場強(qiáng)維持在較低水平;另一種是增加繞組與槽壁接觸面積?;诖耍岢隽藘煞N對應(yīng)的防暈措施:
(1) 低阻防暈處理。在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié),在繞組主絕緣外側(cè)包覆低阻防暈帶或者是涂刷低阻防暈漆。這樣就能在繞組和鐵芯之間形成一條電荷釋放通道,讓繞組表面電場能夠沿著這條通道均勻分布,從而達(dá)到避免電荷集中、防止電暈出現(xiàn)的效果。在運(yùn)用低阻防暈技術(shù)時,要重點(diǎn)把握3 個技術(shù)要點(diǎn):第一是所選用的防暈帶、防暈漆等材料,表面電阻率要維持在103~105 之間。如果表面電阻率太高,會導(dǎo)致電位梯度過大,防暈效果大打折扣;反之,如果表面電阻率太低,會加快材料損耗,防暈周期縮短[2]。第二是防暈材料能夠緊密地包覆在主絕緣層上,既不相互影響,又能成為一個整體。第三是防暈材料具有較高的熱穩(wěn)定性,電阻不會受到溫度變化的影響。
(2) 半導(dǎo)體槽襯彈性固定工藝。在水輪發(fā)電機(jī)工作過程中,由于自身的機(jī)械振動或者是材料老化、腐蝕等原因,都會導(dǎo)致繞組發(fā)生位移,出現(xiàn)接觸不良情況,進(jìn)而出現(xiàn)電暈?;诖?,需要改良定子繞組的固定方式,本文提出了一種半導(dǎo)體槽襯彈性固定工藝。將具有半導(dǎo)體性質(zhì)的彈性槽襯材料(如膠狀硅脂復(fù)合膠)包裹在線棒表面,然后再放入線槽中。由于膠體材料具有良好的膨脹性能,可以支撐繞組線棒與鐵芯之間始終保持良好機(jī)械接觸,避免繞組線棒下沉,達(dá)到防暈效果[3]。
已知槽口電場分布不均勻是造成線棒端部電暈的主要原因,要想達(dá)到防暈效果必須要使端部電場均勻化,目前常用的方法有電阻分壓防暈法和附加絕緣防暈法等。
2.2.1 電阻分壓防暈
該方法的防暈機(jī)理是在繞組端部(即出槽口處)的表面增加不同電阻率的高阻防暈材料,為了提高防暈效果通常會將多種防暈材料疊加,形成多級防暈結(jié)構(gòu)。例如“低阻帶+高阻帶”兩級防暈結(jié)構(gòu),或者是“低阻帶+中阻帶+高阻帶”三級防暈結(jié)構(gòu)等。理論上來說,防暈結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,起到的防暈效果越理想,但是在實際應(yīng)用中還要考慮技術(shù)成本、工藝難度等因素。對于大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī),采用3 層防暈結(jié)構(gòu)即可滿足電阻分壓防暈要求。除此之外,防暈材料的選用也是決定電阻分壓防暈效果的重要因素,早期主要使用固定阻值的高阻材料,近年來以碳化硅為主要成分的半導(dǎo)體高阻材料被廣泛應(yīng)用,其阻值具有非線性特點(diǎn),可根據(jù)外部場強(qiáng)的變化而變化,防暈效果更加理想[4]。為了驗證兩種材料的電阻分壓防暈效果,設(shè)計了對照試驗,非線性和線性防暈層的參數(shù)見表1。
表1 模型結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及材料屬性參數(shù)
從試驗結(jié)果來看,隨著出槽口距離的增加,兩種結(jié)構(gòu)下的線棒表面電位均出現(xiàn)上升趨勢。但是線性防暈結(jié)構(gòu)電位上升更快,在距離為300 mm 時達(dá)到了最大電位80.5 kV;非線性防暈結(jié)構(gòu)電位上升較慢,在距離為450 mm 時達(dá)到了最大電位85.4 kV。在線棒表面損耗密度方面,兩種結(jié)構(gòu)的最大表面損耗密度均出現(xiàn)在中阻層靠近鐵芯處,但是線性防暈結(jié)構(gòu)的表面損耗密度更大,達(dá)到了0.43 W/cm2,見圖4。
圖4 線性和非線性防暈結(jié)構(gòu)的防暈效果對比圖
結(jié)合試驗結(jié)果可知,在發(fā)電機(jī)的端部防暈處理中,可以優(yōu)先考慮碳化硅等非線性防暈材料,能夠讓槽口電場的分布更加均勻,從而達(dá)到防暈效果。
2.2.2 附加絕緣防暈
所謂附加絕緣,是在繞組端部已經(jīng)設(shè)有防暈層的基礎(chǔ)上再附加介電常數(shù)較小的絕緣材料,使繞組端部的空氣法向場強(qiáng)維持在較低水平,增強(qiáng)防暈?zāi)芰?。另外,附加絕緣材料也能在一定程度上保護(hù)防暈層,對延長防暈保護(hù)時效也有一定效果。在絕緣材料的選擇上,目前主流的材料是以氧化鐵為主要成分的紅瓷漆。
上述方法主要是改良繞組端部防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)而達(dá)到防暈?zāi)康模酥庖部梢詮膬?yōu)化定子繞組接線方式著手,通過縮小發(fā)電機(jī)端部線棒之間的電位差,同樣能夠達(dá)到防止電暈發(fā)生的目的。事實上,隨著水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)規(guī)模的增加和額定電壓的升高,以改良端部防暈結(jié)構(gòu)或者是優(yōu)化端部防暈參數(shù)為主的防暈措施,實用性正在逐漸降低,相比之下優(yōu)化繞組接線的防暈效果更加適用于大型發(fā)電機(jī)[5]。以一臺額定電壓25 kV、額定功率為900 MW 的水輪發(fā)電機(jī)為例,在沒有采取防暈措施前,線棒間的最大電位差為0.46 UN;使用定子繞組接線優(yōu)化方法,把繞組分支的高電位線棒布置在相帶中間,把低電位線棒布置在相帶兩側(cè),再次測量線棒間的最大電位差,測量結(jié)果為0.31 UN,相比優(yōu)化前降低了32%,效果明顯。
在大型水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中,定子繞組槽部和端部由于結(jié)構(gòu)特殊,加上生產(chǎn)工藝不良、部件老化等因素的影響,更容易發(fā)生電暈現(xiàn)象,輕則影響發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量,嚴(yán)重時還會造成停機(jī)事故。因此,了解大型水輪發(fā)電機(jī)定子電暈機(jī)理并采取防暈措施尤為重要。在定子繞組槽部采取低阻防暈和半導(dǎo)體槽襯彈性固定工藝,在定子繞組端部采取電阻分壓防暈和附加絕緣防暈措施以及優(yōu)化定子繞組接線方式等,都可以達(dá)到防暈效果。在實際工作中應(yīng)合理選擇防暈措施,切實提升防暈水平,維護(hù)水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。