大型水轮发电机组定子电晕机理分析与防晕技术

赵建强

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨）

绝缘性能是评价水轮发电机运行工况的重要指标，当定子绕组线棒的绝缘性能下降甚至是失效后，电场强度达到击穿场强，进而发生局部放电。根据发生位置的不同，发电机的局部放电大体可分为主绝缘内部放电、端部电晕、槽部电晕等几种类型。了解不同电晕的发生机理，才能有针对性的采取防晕措施，让水轮发电机以良好工况运行。

1 水轮发电机组定子电晕机理分析

1.1 主绝缘局部放电机理分析

当发电机绕组绝缘层之间、绝缘层与绕组线棒之间存在气隙或气泡时，有一定概率出现局部放电情况。局部放电的电压与多种因素有关，例如绝缘材料的介电常数、气隙的厚度等。本文在研究主绝缘局部放电机理时，把定子线棒主绝缘与气隙看作双层介质，建立了等值模型，见图1。

图1 双层介质等值模型

图1 中，U1和U2分别表示主绝缘和气隙的电压，E1和E2分别表示双层介质的电场强度，P1和P2分别表示双层介质的介电系数，D1和D2分别表示双层介质的气隙厚度。在该模型中，双层介质的电场强度之比与介电系数之比成反比，即：

定子线棒上的电压可通过下式求得：

假设主绝缘材料为环氧玻璃粉云母，则P1的值为4.5，P2的值为1.0。将数据带入上式后，气隙中的电场强度E2可表示为：

如果E2的值大于气隙的击穿场强，就会发生气隙击穿、局部放电的现象。实际上，发电机上使用的绝缘材料电击穿强度通常可以达到300 kV/mm 左右，相比之下空气的电击穿强度只有3 kV/mm。因此在绝缘内部、绝缘层间、绝缘与绕组线棒之间出现气隙后极易发生击穿现象[1]。

1.2 槽部电晕机理分析

定子绕组绝缘线圈与槽壁之间存在间隙时，会形成一个法向场强，用Enm表示；假设在不受任何干扰情况下的均匀电场起始电离场强为Em，当存在“Enm＞Em”时，会发生槽部电晕。其中，间隙法向场强可通过下式求得：

式中，D1和P1所示涵义同上；Uλ表示相电压，单位为kV；D 表示间隙宽度，单位为cm。由计算结果可知，当D 值在0.5 mm 左右时发生电晕的几率最高。对于没有采取任何防电晕措施的发电机来说，当额定电压达到6.3 kV 时就处于临界电离状态，如果电压继续升高则发生电晕。

1.3 端部电晕机理分析

对于大型水轮发电机来说，其定子绕组的端部大多采用套筒式结构。对于绝大多数未经过维修或改装的设备，定子绕组端均不会采取防晕处理。其等效电路见图2。

图2 无防晕层时出槽口等效电路图

图2 中，Cs 表示主绝缘单位面积的表面电容，单位为F；Cv 表示主绝缘单位面积的体积电容，单位为F/cm2。以铁芯为参照点，在距离铁芯的x 处，定子线棒主绝缘的表面电压可通过下式求得：

式中，ch 表示双曲余弦函数，a 表示系数，L 表示端部长度，u 表示额定相电压。通过上式可知，在距离铁芯越近的位置，端部绝缘表面的泄露电流越大，相应的槽口处电场强度更大（即表面电压越高）。当电场强度超过8 kV/cm 时，会出现电晕现象。此时的起晕电压主要与绝缘厚度（d）、介电常数（P1）两项因素有关，关系式为：

通过上式可以绘制出不同绝缘厚度下起晕电压之间的关系曲线，见图3。

图3 未加防晕处理时定子出槽口的U 与d 关系曲线

图3 中，Uφ表示发电机的相电压，Uk表示起晕电压。两条曲线首次相交的点，表示达到了发生电晕的临界状态，此时必须要采取有效措施防止电晕的发生。

2 大型水轮发电机组定子防晕技术

2.1 槽部防晕技术

根据槽部电晕机理，发电机定子绕组的槽部防晕有两种实现方式：一种是保证铁芯电场分布均匀，使轴向场强维持在较低水平；另一种是增加绕组与槽壁接触面积。基于此，提出了两种对应的防晕措施：

（1） 低阻防晕处理。在产品制造环节，在绕组主绝缘外侧包覆低阻防晕带或者是涂刷低阻防晕漆。这样就能在绕组和铁芯之间形成一条电荷释放通道，让绕组表面电场能够沿着这条通道均匀分布，从而达到避免电荷集中、防止电晕出现的效果。在运用低阻防晕技术时，要重点把握3 个技术要点：第一是所选用的防晕带、防晕漆等材料，表面电阻率要维持在103～105 之间。如果表面电阻率太高，会导致电位梯度过大，防晕效果大打折扣；反之，如果表面电阻率太低，会加快材料损耗，防晕周期缩短[2]。第二是防晕材料能够紧密地包覆在主绝缘层上，既不相互影响，又能成为一个整体。第三是防晕材料具有较高的热稳定性，电阻不会受到温度变化的影响。

（2） 半导体槽衬弹性固定工艺。在水轮发电机工作过程中，由于自身的机械振动或者是材料老化、腐蚀等原因，都会导致绕组发生位移，出现接触不良情况，进而出现电晕。基于此，需要改良定子绕组的固定方式，本文提出了一种半导体槽衬弹性固定工艺。将具有半导体性质的弹性槽衬材料（如胶状硅脂复合胶）包裹在线棒表面，然后再放入线槽中。由于胶体材料具有良好的膨胀性能，可以支撑绕组线棒与铁芯之间始终保持良好机械接触，避免绕组线棒下沉，达到防晕效果[3]。

2.2 端部防晕技术

已知槽口电场分布不均匀是造成线棒端部电晕的主要原因，要想达到防晕效果必须要使端部电场均匀化，目前常用的方法有电阻分压防晕法和附加绝缘防晕法等。

2.2.1 电阻分压防晕

该方法的防晕机理是在绕组端部（即出槽口处）的表面增加不同电阻率的高阻防晕材料，为了提高防晕效果通常会将多种防晕材料叠加，形成多级防晕结构。例如“低阻带+高阻带”两级防晕结构，或者是“低阻带+中阻带+高阻带”三级防晕结构等。理论上来说，防晕结构越复杂，起到的防晕效果越理想，但是在实际应用中还要考虑技术成本、工艺难度等因素。对于大多数水轮发电机，采用3 层防晕结构即可满足电阻分压防晕要求。除此之外，防晕材料的选用也是决定电阻分压防晕效果的重要因素，早期主要使用固定阻值的高阻材料，近年来以碳化硅为主要成分的半导体高阻材料被广泛应用，其阻值具有非线性特点，可根据外部场强的变化而变化，防晕效果更加理想[4]。为了验证两种材料的电阻分压防晕效果，设计了对照试验，非线性和线性防晕层的参数见表1。

表1 模型结构几何参数及材料属性参数

从试验结果来看，随着出槽口距离的增加，两种结构下的线棒表面电位均出现上升趋势。但是线性防晕结构电位上升更快，在距离为300 mm 时达到了最大电位80.5 kV；非线性防晕结构电位上升较慢，在距离为450 mm 时达到了最大电位85.4 kV。在线棒表面损耗密度方面，两种结构的最大表面损耗密度均出现在中阻层靠近铁芯处，但是线性防晕结构的表面损耗密度更大，达到了0.43 W/cm2，见图4。

图4 线性和非线性防晕结构的防晕效果对比图

结合试验结果可知，在发电机的端部防晕处理中，可以优先考虑碳化硅等非线性防晕材料，能够让槽口电场的分布更加均匀，从而达到防晕效果。

2.2.2 附加绝缘防晕

所谓附加绝缘，是在绕组端部已经设有防晕层的基础上再附加介电常数较小的绝缘材料，使绕组端部的空气法向场强维持在较低水平，增强防晕能力。另外，附加绝缘材料也能在一定程度上保护防晕层，对延长防晕保护时效也有一定效果。在绝缘材料的选择上，目前主流的材料是以氧化铁为主要成分的红瓷漆。

2.3 定子绕组接线优化降低端部电晕

上述方法主要是改良绕组端部防晕结构进而达到防晕目的，除此之外也可以从优化定子绕组接线方式着手，通过缩小发电机端部线棒之间的电位差，同样能够达到防止电晕发生的目的。事实上，随着水轮发电机组装机规模的增加和额定电压的升高，以改良端部防晕结构或者是优化端部防晕参数为主的防晕措施，实用性正在逐渐降低，相比之下优化绕组接线的防晕效果更加适用于大型发电机[5]。以一台额定电压25 kV、额定功率为900 MW 的水轮发电机为例，在没有采取防晕措施前，线棒间的最大电位差为0.46 UN；使用定子绕组接线优化方法，把绕组分支的高电位线棒布置在相带中间，把低电位线棒布置在相带两侧，再次测量线棒间的最大电位差，测量结果为0.31 UN，相比优化前降低了32%，效果明显。

3 结论

在大型水轮发电机的运行中，定子绕组槽部和端部由于结构特殊，加上生产工艺不良、部件老化等因素的影响，更容易发生电晕现象，轻则影响发电机的发电效率和发电质量，严重时还会造成停机事故。因此，了解大型水轮发电机定子电晕机理并采取防晕措施尤为重要。在定子绕组槽部采取低阻防晕和半导体槽衬弹性固定工艺，在定子绕组端部采取电阻分压防晕和附加绝缘防晕措施以及优化定子绕组接线方式等，都可以达到防晕效果。在实际工作中应合理选择防晕措施，切实提升防晕水平，维护水轮发电机的稳定和可靠运行。