定子线棒层间电晕成因探究及处理

向天航，顾卫坤，吴小平，杨大贵

（中国长江电力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

0 序言

电晕是指带电导体对周围空气进行游离放电的现象，在一定的温度和大气压下可以看到淡蓝色的辉光放电。由于在发电机运行时，很难观察到定子线棒，故一般只能观察到电晕后的痕迹。根据现场统计，发生电晕的类型有三种：定子线棒R弯部电晕[1，2]、定子线棒槽内电晕、定子线棒层间电晕。其中定子线棒层间电晕最具备普遍性，故选择定子线棒层间电晕作为理论分析原型。

1 原因分析

1.1 形成电晕放电通道

水轮发电机组定子线棒层间电晕是发生在上下层线棒之间，位置在定子线棒出槽口至R弯之间，如图1所示。

图1 定子线棒层间电晕部位Figure 1 Corona position between stator bars

将两根线棒层间位置抽象为两个极板，对上极板施加电压U，则在极板间形成电场，场强方向是从上至下。带电粒子在场强的作用下发生定向移动，正电荷会聚集到下极板，负电荷会聚集到上极板，即在电场作用下空气发生电离。如图2所示，正电荷沿实线箭头运动到下极板，负电荷沿虚线箭头运动到上极版。

图2 层间电晕模型Figure 2 Interlayer corona model

根据带电粒子在电场中的运动规律，电场强度越大，带电粒子的运动速度越快。当大量带电粒子对上下极板进行持续撞击时，显然会对极板表面材料造成损害。当极板表面材料受到损害后，极板表面材料的分子结构也会被破坏掉，更多的带电粒子参与到高速运动，即可以看到电晕放电现象，其对极板的损害程度随着时间的推移进一步加剧。电场强度公式如下：

根据电场强度公式分析，当电压U和极板面积S一定时，影响电场强度的因素为极板间距d。当电压一定时，间距越小，电场强度会越大。

发电机组线棒的额定电压在设计时已确定，层间线棒电压差值不可能超过其设计最大值。线棒间距也在机组安装阶段固定不变，故在正常状态下其电场强度应满足设计要求，不会导致严重电晕情况。

当发电机组运行多年以后，定子线棒层间易堆积灰层、油污等污物，污物的堆积导致线棒间距变小。线棒层间的间距下降，导致该区域的电场强度会直线上升。若该处线棒层间的设计电压差较大，则形成强电场的概率大大增加。

当线棒层间场强达到空气电离强度时，会发生电晕放电，电晕首先会将线棒表面污物烧毁至碳化。其电晕过程中的带电粒子撞击，以及电晕的热效应会直接损害线棒表面绝缘材料，加速绝缘材料过热老化。

1.2 发生化学反应

1.2.1 产生臭氧

定子线棒层间结构与介质阻挡放电产生臭氧模型类似，介质阻挡放电产生臭氧模型如图3所示，与图2层间电晕模型几乎完全一样[3]。图3中上下电极与图2中上下极板类似，图3中的发电区域等同于图2中的极板间的间隙，虽然图3中施加的是交流电压，但发电机在运行状态时，线棒层间的电压也是随时间变化的交流电压，图2中的电场方向为某一时刻的暂态。

图3 介质阻挡放电产生臭氧模型Figure 3 Ozone generation model by dielectric barrier discharge

根据文献[3]的研究成果，当放电电压增大时，产生臭氧的浓度在不断增大，说明放电间隙电场强度越大，氧原子电离分解越多，形成的臭氧更多。臭氧具有强氧化性，与定子线棒表面绝缘材料发生氧化还原反应，直接氧化线棒表面绝缘材料，会损坏定子线棒的绝缘性能。

1.2.2 产生硝酸

在线棒层间电晕部位存在的强电场会电离空气中的氧气产生臭氧，根据文献[4]的研究成果，电离空气中的氮气产生氮化物与氧气和水蒸气反应形成硝酸。臭氧和硝酸具有强烈的腐蚀性，会损害线棒表面绝缘材料，甚至破坏线棒的主绝缘，对线棒造成严重损坏。

其在现场的表象为电晕部位有白色粉末状物质，如图4所示，其主要成分为硝酸盐。

图4 层间电晕的白色粉末装物质Figure 4 White powder-packed material for interlayer corona

所以分析电晕形成的原因为：

（1）线棒层间污物堆积，线棒层间电压差较大时，容易导致电晕；

（2）电晕部位发生化学反应进一步损害线棒绝缘；

（3）线棒绝缘材料老化使电晕持续恶化。

2 处理对策

2.1 常规处理方法

根据电晕原因分析，线棒层间污物堆积是形成电晕的原因之一，所以处理电晕缺陷第一步是清理层间污物。一般采用白布带蘸酒精来回擦拭，或者用细砂纸打磨，将线棒层间污物清理干净，然后根据电晕严重程度，选择适当的方法进一步处理。一般处理发电机定子线棒电晕的方法有以下几种[5，6]：

（1）清洗法：用酒精或丙酮对电晕放电遗留痕迹进行清洗。此方法主要适用于轻微电晕放电，放电产物主要是容易清洗的白色斑块的情况。

（2）清理涂漆法：将电晕放电遗留痕迹用砂布、酒精、丙酮等清除干净后，对防晕层进行重新喷涂防晕漆，从而提高线棒防晕能力。此方法主要适用于大面积电晕放电现象，且电晕放电严重时。

（3）隔离法：将环氧绝缘板置于上下层线棒之间，将上下层线棒隔离，切断电晕放电的路径，从而提高电晕放电电压。该方法适用于局部放电严重，放电部位较少时。

（4）重塑防晕结构法：将防晕层剥离，重塑线棒防晕结构。此方法适用于防晕结构受损严重时。

以上四种常用方法在处理定子线棒电晕时均有应用，一般需要吊出转子或拔出磁极。但是在机组检修工期紧张，在不起吊转子、不拔出磁极和线棒时，特别是在作业空间很有限的情况下，定子线棒层间电晕处理将十分困难，一般难以有理想的处理效果。

经过探索研究，发现填充隔离法对处理定子线棒层间电晕效果良好。

2.2 填充隔离处理方法

在常规方法处理定子线棒层间电晕不理想时，可采用填充隔离法。填充隔离处理步骤如下：

（1）将纯棉白布裁成宽不超过4cm，长度不小于40cm的布条，准备若干，用无水酒精将白布条浸湿。

（2）将白布条穿过定子线棒层间，来回擦拭该处电晕痕迹，可更换新的白布条，直至白布条表面无污物为止。

（3）当定子线棒层间电晕产物不易清理时，可将0号砂纸裁成长条状，穿过定子线棒层间，来回打磨，不得伤到线棒绝缘，打磨后重复步骤2，直至定子线棒层间清理干净。

（4）根据现场定子线棒端部层间电晕大小情况，将涤纶毡剪裁成一定的大小，一般为长方形。将裁剪好的涤纶毡浸渍793绝缘胶，浸渍时间不少于半小时。

（5）待涤纶毡晾半干时，裁剪合适大小的诺麦克纸，包裹涤纶毡垫塞在上下层线棒之间，往诺麦克纸和涤纶毡之间灌注793绝缘胶。

（6）将诺麦克纸包裹的涤纶毡垫塞在发生电晕的上下层线棒之间，确保涤纶毡垫在上下层线棒之间无间隙。

在定子线棒层间填充诺麦克纸包裹的涤纶毡，实际上是增加了线棒层间的介电常数，可大大降低线棒层间的电场强度，有效防止该处再次发生电晕。

3 实际效果检验

在检修国内某大型水力发电厂某机组时，发现该机组第225槽线棒有典型的层间电晕缺陷。由于机组检修工期短，无法起吊转子后作业，故采用隔离填充法进行处理该缺陷。

处理完成后进行定子线棒耐压试验，当加压至1.1倍额定运行电压时，用紫外成像仪观测时发现第225槽线棒处光子数最低可到0，如图5所示，试验证明处理效果良好。

图5 处理后第225槽附近紫外成像图Figure 5 After processing，ultraviolet imaging near slot 225

处理完成后，该机组稳定运行一年，待机组停机后进行跟踪观察，发现采用填充隔离法处理的第225槽未再发现电晕痕迹。填充绝缘物仍然很紧实，没有发生移位。跟踪效果图如图6所示。

图6 处理后跟踪图片Figure 6 Tracking pictures after processing

采用填充隔离法处理电晕的特点如下：

（1）切断了线棒层间电晕放电的路径。

（2）所需材料少、成本低，处理方法简便快捷，处理定子线棒层间电晕效果良好。

（3）处理工期短，不需要吊转子或拔出磁极和线棒。

4 结束语

本文通过分析定子线棒层间电晕的形成原因，提出了填充隔离处理方法，在发电机检修工期短，作业空间有限时，对处理发电机定子线棒层间电晕有着显著的作用。同时，为了避免机组定子线棒发生电晕，提出以下几点建议：

（1）在机组定子线棒设计和下线安装阶段，应严格控制线棒之间的间距。在满足设计的情况下，线棒层间距离应尽可能大。

（2）定期进行发电机内部检查，对发电机内部脏污情况进行评估，及时开展发电机内部清扫工作是防止电晕的有效手段。

（3）针对不同的电晕情况，根据电晕的形成机理分析，采用可行的针对性方案消除电晕，恢复定子线棒的绝缘水平。