大型电机定子线棒局部放电特性研究

何树鹏，垣内干雄，廣島聡，吴金水（.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 3006；.株式会社东芝，日本 东京 05-800）

大型电机定子线棒局部放电特性研究

何树鹏1，垣内干雄1，廣島聡2，吴金水1
（1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式会社东芝，日本 东京 105-8001）

摘要：大电机定子线棒由于其制造特点不可避免的会造成局部缺陷引起局部放电，其局部放电主要包括内部放电、端部放电和槽部放电。根据放电位置的不同在测试时会出现不同的放电波形，但在实际测试中由于干扰因素的存在,对波形的判断存在一定的难度。多胶绝缘VPR（Vacuum Pressure Resin Rich）工艺可以减少内部放电。端部防晕层及槽部防晕层可以有效减少和抑制端部放电及槽部放电。

关键词：定子线棒；局部放电；特点；VPR

1　前言

大电机定子线棒绝缘结构主要包括主绝缘及防晕层。其中主绝缘由环氧/云母/玻璃纤维复合组成的云母带经加热加压固化形成。防晕层包含槽部防晕层和端部防晕层，分别由低阻半导体材料和高阻非线性半导体材料一次或分多次固化在主绝缘表面形成。由于整个绝缘系统是由复合材料组成，且云母带等材料使用时的错位包扎工艺使得整个绝缘并不是一个完全均一的整体，而是不可避免的存在一些缺陷，这就会造成绝缘体内部和表面某些部位的电场高于平均电场，形成电场集中，当缺陷部位的场强高于击穿场强时，该部位就会被击穿，而发生局部微放电。该放电不会立即形成整个绝缘贯通性的击穿或闪络，其他区域仍然保持着绝缘特性，该部位的放电就是局部放电。本文所指的局部放电主要指单根定子线棒的主绝缘内部放电、端部放电和槽部放电。

2　局部放电的危害

定子线棒的绝缘老化虽然受机械、电、热、环境等多种因素的影响，但局部放电被认为是造成绝缘局部老化的重要因素。局部放电的危害程度，一方面决取于放电的强度和放电次数的多少；另一方面也决取于绝缘材料的耐放电性能和放电作用下绝缘的破坏机理。

局部放电对绝缘的破坏有两种情况：①放电质点对绝缘的直接轰击，造成局部绝缘破坏，逐步扩大，使绝缘击穿；②放电产生的热、臭氧、氮的氧化物等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，电导增加，最后导致击穿。

局部放电对定子线棒绝缘破坏的危险程度根据位置不同依次为：槽部放电、内部放电、端部放电。

3　不同部位局部放电的特点

对定子线棒内部放电、端部放电及槽部放电，不同部位的放电其放电原理也有各自的特点。

3.1内部放电

绝缘内部气隙发生局部放电时，其等值回路如图1所示。

图1　内部气隙物理模型及等效电路图

大电机定子线棒绝缘内部气隙周围绝缘介质基本相同，在放电过程中当极性改变时，在正负极性所在的相位上放电是对称的，如图2所示。

图2　内部气隙放电波形图

3.2端部放电

发电机定子线棒的绝缘是比较典型的套筒式绝缘结构。其基本模型如图3所示，在运行过程中电压施加于线棒导体和铁心之间，铁心接地，端部电场分布主要集中于低阻末端，如图4所示。

图3　线棒绝缘结构模型

图4　线棒低阻末端电场分布示意图

在忽略端部绝缘表面电容的情况下，通过理论计算，也可得出电场分布集中于低阻末端，不会因端部长度的变化有所改善。低阻末端电场强度：

可以通过增加绝缘厚度，减小体积电容的方法改善端部电场分布[2]，但考虑到实际制作及安装情况，通常采用端部制作非线性半导体层，连续改变表面电阻率来均匀端部电场，防止端部放电的发生。

根据端部放电的特点，端部放电时放电部位两端的绝缘介质不同（一端为线棒绝缘，另一端为空气），不同介质在负极性(极性改变)时所释放电子的面积不会完全相同，因而在正负极性的相位上所表现出的放电就不对称，如图5所示。

图5　端部放电波形图

3.3槽部放电

发电机槽部为防止放电在制作时会在主绝缘表面一次成型低阻防晕层，一般低阻防晕层和主绝缘会有良好的电气接触，新制线棒在试验时槽部放电可以通过包绕铝箔等方法抑制和消除。

槽部放电主要在线棒运行过程中受到电磁力振动，表面低阻层被破坏后发生。放电部位的一端是铁芯，其他部位是绝缘，当金属表面的一端为负极性时，则整个金属表面将参与释放电子，由于放电面积固定不变，其各次放电的幅值很大而又相等。改变极性时，即气隙的绝缘端为负极性时，则绝缘端参与释放电子的面积较金属端小的多，所释放出的电子也就较少，因而在正负极性的相位上所表现出的放电就极不对称，如图6所示。

图6　槽部放电波形图

4　减少线棒局部放电的方法

局部放电的抑制和减少主要通过以下途径进行：①在制作过程中尽量减少绝缘中的空隙。如VPR工艺。由于绝缘固化前进行了真空干燥处理，固化采用液压方式，所以可以最大限度的减少绝缘内部空隙；②良好的端部防晕及槽部防晕结构。

4.1局部放电的测试

在实际制作过程中正确找到局放源是对线棒局放进行改进的重要工作。测试方法一般参照GB/T-20833-2007进行。在有屏蔽室的情况下，局部放电测试主要受到接地系统及测试回路的影响。接地系统要求独立一点接地，关于测试回路，以上标准有详细说明，在此不做补充。

局部放电信号是一系列脉冲信号，根据测试局部放电的目的、敏感度、测试对象等不同，局部放电测试仪捕捉到的波形如图7所示。有低频率、宽带、窄带三种[3]。实际测试中一般选择宽带进行测量。

图7　不同局部放电测试的波形

局部放电测试前的校正比较重要，只有正确校正后才能相对准确的获得正确的局部放电信号。

图8　局部放电测试校正波形

校正信号高于干扰信号时局部放电才能进行准确的测试。

实际测试时局部放电信号是一组持续时间非常短（10-9～10-7s）的非平稳随机信号，如图9c所示，包括内部放电、端部放电以及干扰，如图9a、b所示。

图9　局部放电测试波形

新制线棒未发生老化，局部放电波形图有明显的相位分布，偶尔出现幅值较高的脉冲一般认为是测试环境存在干扰造成的。

4.2真空处理对内部放电的影响

定子线棒在制作过程中为减小主绝缘内部空隙，在工艺上主要通过真空干燥工艺来实现。对于多胶云母带绝缘体系，目前主要有模压（HP-Hot Press）和真空液压（VPR）两种工艺。后者主要工艺特点为真空干燥及真空液压，目的是在主绝缘固化前及固化过程中最大限度的消除绝缘内部空隙。为了判断真空处理对定子线棒局部放电的影响，将HP及VPR定子线棒在其额定电压下进行局部放电测量，测试波形依次如图10a、b所示。由图可知HP线棒的局放值和VPR线棒局放值相比较大。说明对于相同绝缘结构来说VPR工艺由于增加了真空干燥及固化方式为液压，可以明显的减小内部局部放电的发生。

图10　HP、VPR线棒局部放电测试波形

4.3高阻防晕层对端部放电改善

由3.2内容可知，定子线棒导体接高压时电场主要集中在接地电极末端的一段区域内，即端部靠近低阻的范围内。通过测量定子线棒高阻处理前后局部放电（如图11a、b所示），表明无高阻防晕层时波形不对称（图11a），符合理论分析。通过在低阻末端进行高阻防晕处理后放电波形基本对称，表面高阻防晕层能明显改善定子线棒端部电场分布，减少或消除端部局部放电。

图11　线棒端部有无高阻防晕层的局部放电测试波形

4.4低阻防晕层对局部放电的影响

新制定子线棒表面一次成型低电阻防晕层，表面电阻一般在（1～10）kΩ，在此范围内只要线棒嵌入定子后和铁芯接触良好就不会产生局部放电。故线棒槽部放电一般发生在运行中表面低阻摩擦破损后。为表明低阻破损后对局部放电产生的影响，将新制线棒表面低阻剥离后进行测试，结果如图12b所示，波形显示各次放电幅值基本相等，且不对称，和

5　结论

（1）发电机定子线棒局部放电根据发生部位的不同会有不同的放电波形。

图12　线棒槽部有无低阻防晕层的局部放电测试波形

（2）局部放电测试容易受到外界干扰，只有消除干扰才能较准确的测得局部放电信号。

（3）多胶绝缘体系VPR工艺可以最大限度消除绝缘内部空隙，减小绝缘内部局部放电的发生。

（4）端部和槽部防晕层会明显的影响局部放电，良好的防晕处理可以消除和减少端部及槽部的局部放电。

参考文献：

[1]张任豫，陈昌渔,王昌长.高电压试验技术[M].3版.北京：清华大学出版社.

[2]宋建成，乐波堃，谢恒.大电机主绝缘多因子老化试验中试验线棒端部防晕技术的研究[J].电工技术学报，2000，15（3）.

[3]叶芬斌，孙国荣，中山泰弘.电气绝缘性能的综合检测系统及运用[J].电子质量，2008（3）.

中图分类号：TM85

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）02-0058-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.016

收稿日期：2014-10-15

作者简介：何树鹏（1985-），男，助理工程师，从事大电机绝缘材料的开发及绝缘技术工作。