胡 波 梁智明 漆臨生 張小俊 何海洋

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司, 四川 德陽(yáng) 618000）

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)連續(xù)三十年的高速發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電力的需求越來越迫切。因此，國(guó)內(nèi)一批核電站、抽水蓄能水電站、超超臨界火電站、燃?xì)廨啺l(fā)電電站和新能源發(fā)電設(shè)施也隨之大力興建，同時(shí)各類型發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量與額定電壓也隨之不斷的提高，從而給大中型發(fā)電機(jī)定子線棒的主絕緣提出了新的挑戰(zhàn)。我國(guó)的電機(jī)定子線棒主絕緣雖然已經(jīng)由瀝青片云母A級(jí)絕緣發(fā)展到環(huán)氧粉云母B級(jí)絕緣和F級(jí)絕緣，同時(shí)采用較先進(jìn)的真空壓力浸漬（VPI）的線棒絕緣制造工藝等，但是其內(nèi)部氣隙始終不能完全消除[1]。而這些氣隙在較低電壓下的放電可能引起電、化學(xué)、機(jī)械、光、聲等多因子老化，加速定子線棒在運(yùn)行過程中的絕緣老化，縮短定子線棒絕緣的壽命。因此，精確測(cè)量和嚴(yán)格控制線棒絕緣內(nèi)部氣隙和未完全固化的樹脂等對(duì)確保線棒絕緣安全運(yùn)行非常重要。

目前國(guó)內(nèi)外業(yè)主對(duì)電機(jī)制造廠生產(chǎn)的定子線棒絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)的要求越來越高，特別是某些重大機(jī)組、出口機(jī)組或大容量機(jī)組的合同要求所有定子線棒絕緣的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)標(biāo)中優(yōu)等品要求。同時(shí)因?yàn)槎ㄗ泳€棒絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)試方法、試驗(yàn)設(shè)備、影響因素和考核指標(biāo)在IEC、IEEE、BS、VDE、GB等標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，所以該指標(biāo)也是用戶嚴(yán)格控制線棒絕緣質(zhì)量的重要途徑之一。

盡管技術(shù)文件對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)量電極系統(tǒng)已有明確規(guī)定，但是在實(shí)際操作過程中，還是很難做到完全按照規(guī)定來進(jìn)行測(cè)試，特別是電極系統(tǒng)的合理且準(zhǔn)確的配置。因此，定量研究電極系統(tǒng)參數(shù)對(duì)介質(zhì)損耗的影響對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量線棒槽部主絕緣介質(zhì)損耗、排除外來干擾、簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程、合理安排制造與試驗(yàn)的工序等均有積極作用。

本文通過對(duì)線棒絕緣介質(zhì)損耗的三電極測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，建立了介質(zhì)損耗測(cè)量電極系統(tǒng)的電路模型。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了各影響參數(shù)與線棒的介質(zhì)損耗之間的關(guān)系。

2 理論模型

2.1 三電極測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]

定子線棒絕緣介質(zhì)損耗三電極測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線棒絕緣三電極測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三電極測(cè)量系統(tǒng)一般要求測(cè)量電極與保護(hù)電極之間的間隙為表面電阻率很高的絕緣，稱為“真三電極”；在實(shí)際操作中，一般通過斷開線棒槽部低電阻防暈層一定距離來實(shí)現(xiàn)。而在一些特定條件下，例如不允許或不方便斷開低電阻防暈層時(shí)，也可以使用“偽三電極”（其與前者的差別主要在于間隙的表面電阻率較低）來進(jìn)行測(cè)量；在實(shí)際操作中，一般通過將該間隙置于線棒端部高電阻防暈層或高電阻防暈層外的防暈保護(hù)層上來實(shí)現(xiàn)。

因此，三電極測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是測(cè)量電極與保護(hù)電極之間存在一定的電阻值以避免端部表面電導(dǎo)電流進(jìn)入測(cè)量回路。三電極測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于保護(hù)電極屏蔽端部表面電導(dǎo)電流的程度。

測(cè)量電極和保護(hù)電極的絕緣結(jié)構(gòu)如圖2所示。假定線棒槽部?jī)啥说慕Y(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，測(cè)量電極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。取線棒一端間隙MN進(jìn)行分析，MN兩點(diǎn)的間距為L(zhǎng)i（單位是mm），點(diǎn)P為MN的中點(diǎn)。

2.2 測(cè)量電極的電位

為建立介質(zhì)損耗測(cè)量系統(tǒng)LDSV-6的電路模型，需要對(duì)真機(jī)定子線棒絕緣在測(cè)試介質(zhì)損耗時(shí)的測(cè)量電極電位隨外施高壓變化的情況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)回路如圖3所示。

圖2 保護(hù)間隙MN的結(jié)構(gòu)圖

圖3 測(cè)量電極電位測(cè)試線路圖

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，當(dāng)定子線棒在進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)試時(shí)，測(cè)量電極的電位很低，幾乎可以忽略不計(jì)。同時(shí)該結(jié)果與檢測(cè)單元的輸入阻抗和流經(jīng)檢測(cè)單元的測(cè)量電流的乘積值具有很好的一致性。

表1 測(cè)量電極表面電位測(cè)試結(jié)果

該測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量電極和保護(hù)電極在測(cè)量過程中的電位幾乎為零，間隙的電路參數(shù)和幾何參數(shù)沿中點(diǎn)P對(duì)稱分布。

2.3 三電極測(cè)量系統(tǒng)的電路模型

假設(shè)主絕緣的體積電阻Ra、銅線與主絕緣之間的內(nèi)均壓系統(tǒng)的電阻和電容、保護(hù)間隙的表面電容Ci、測(cè)量電極和保護(hù)電極的邊緣效應(yīng)、保護(hù)電極的長(zhǎng)度均可以忽略不計(jì)，則保護(hù)間隙的結(jié)構(gòu)可以等效為圖4（a）的分布參數(shù)式電路。當(dāng)間隙的電路參數(shù)和幾何參數(shù)沿MN的中點(diǎn)P對(duì)稱分布時(shí)，圖4（a）的分布參數(shù)式電路可以簡(jiǎn)化為圖4（b）的集總參數(shù)式電路。

圖4 保護(hù)間隙MN的等效電路圖[3]

圖中，Ca為主絕緣單位長(zhǎng)度的電容，Ri為保護(hù)間隙單位長(zhǎng)度的表面電阻，C為MN段主絕緣的等效電容，R為MP段或NP段保護(hù)間隙的表面電阻

根據(jù)圖4（b）的等效電路，有式（1）成立。

解式（1）可得式（2）

根據(jù)電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析主絕緣的等效電容C和保護(hù)間隙的表面電阻R可知

表2 Li(mm)和ρs(Ω)對(duì)γ分布的影響

式中，d為主絕緣單面厚度，mm；A為保護(hù)間隙的周長(zhǎng)，mm；ρs為保護(hù)間隙的表面電阻率，?。

由式（2）、式（3）和式（4）得最高電位與外施電壓的比值γ，如式（5）所示。因此，保護(hù)間隙MN沿線棒長(zhǎng)度方向上的表面電位分布呈現(xiàn)兩端低、中間高的趨勢(shì)，這與定子線棒直線部分槽電位分布規(guī)律類似[4]。當(dāng)中點(diǎn) P兩側(cè)的電路參數(shù)和幾何參數(shù)完全相同時(shí)，則MN間表面最高電位應(yīng)出現(xiàn)在點(diǎn)P上，且其電位值可以由式（5）計(jì)算得到。顯然，該電位值與保護(hù)間隙表面電阻率、保護(hù)間隙的間距和絕緣厚度有關(guān)。

2.4 γ的分布

取d=3mm，εr=5，則γ隨保護(hù)間隙的表面電阻率 ρs和保護(hù)間隙的間距 Li變化如表 2所示。當(dāng) ρs一定時(shí)，γ隨 Li單調(diào)增加；當(dāng) Li一定時(shí)，γ也隨 ρs單調(diào)增加。

從極限情況來看，這是可以理解的。當(dāng) ρs→0或 Li→0時(shí)，測(cè)量電極、保護(hù)電極及其之間任意點(diǎn)處于短路狀態(tài)，其電位均趨近于零；當(dāng) ρs→∞或Li→∞時(shí)，測(cè)量電極、保護(hù)電極及其之間任意點(diǎn)處于斷路狀態(tài)，表面阻抗遠(yuǎn)大于主絕緣內(nèi)部阻抗，即內(nèi)部阻抗可以忽略不計(jì)，故表面電位趨近于外施電壓。

2.5 附加介質(zhì)損耗tanδ1

基于以上電路分析，線棒絕緣在測(cè)試介質(zhì)損耗時(shí)，其tanδ值包括線棒絕緣自身的介質(zhì)損耗和由保護(hù)電極表面電位引起的附加介質(zhì)損耗。該附加介質(zhì)損耗值 tanδ1可以根據(jù)圖 4（b）中左側(cè)串聯(lián)電路模型[5]計(jì)算得到，如式（6）所示。

顯然，對(duì)于某固定電極系統(tǒng)來說，當(dāng)保護(hù)間隙的表面電阻率 ρs和保護(hù)間隙的間距Li基本不變時(shí)，tanδ1可以視作一個(gè)定值。即當(dāng)保護(hù)間隙未發(fā)生放電、溫升、污穢等可能引起電路參數(shù)和幾何參數(shù)改變的現(xiàn)象時(shí)，則tanδ1基本不隨外施電壓的增加而變化。

2.6 介質(zhì)損耗測(cè)量值tanδ

當(dāng)線棒絕緣質(zhì)量較好時(shí)，主絕緣自身的介質(zhì)損耗值 tanδ2可以視作常數(shù)，則 tanδ2和 tanδ1的并聯(lián)等效介質(zhì)損耗tanδ可以根據(jù)復(fù)合介質(zhì)并聯(lián)組合的等效計(jì)算公式[6]計(jì)算得到，如式（7）所示。

式中，tanδ2為主絕緣自身的介質(zhì)損耗； tanδ1為測(cè)量系統(tǒng)的附加介質(zhì)損耗；μ為保護(hù)間隙覆蓋主絕緣與測(cè)量電極覆蓋主絕緣的體積之比，考慮到相同的絕緣厚度d和絕緣截面尺寸A，則μ等于保護(hù)間隙長(zhǎng)度Li與測(cè)量電極長(zhǎng)度L之比；η為測(cè)量電極覆蓋主絕緣與保護(hù)間隙覆蓋主絕緣的相對(duì)電容率 εr之比，在數(shù)值上等于1。

因此，結(jié)合三電極測(cè)量系統(tǒng)的上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，式（7）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為式（8）。

取 d=3mm、tanδ2=0.5%、L=2000mm 和 εr=5，則tanδ隨保護(hù)間隙的表面電阻率ρs和保護(hù)間隙的間距Li變化如表3所示。

表3 Li(mm)和 ρs(?)對(duì) tanδ的影響

在盡可能削弱流經(jīng)圖4（b）中左側(cè)電路的附加電流對(duì)測(cè)量回路總電流影響的前提下，制造商或試驗(yàn)人員通常希望在工程實(shí)踐中易于實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗的準(zhǔn)確快速測(cè)試，即ρs不要求太高且Li不需要太小。由表 3可知，當(dāng)電極配置為 ρs∈（1.00E+07?，1.00E+10?）且Li∈（3mm，10mm）時(shí)，比較適于準(zhǔn)確、批量化測(cè)試電機(jī)定子線棒的介質(zhì)損耗。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 Li對(duì)tanδ 的影響

對(duì)額定電壓為 13.8kV的真機(jī)定子線棒測(cè)試其常態(tài)介質(zhì)損耗tanδ隨保護(hù)間距Li的變化情況，如圖5所示。

由圖5可知，隨著Li的增加，tanδ也逐漸增大，而介損開始增加的電壓（即起始放電電壓[7]）基本不變。這說明 Li對(duì)介質(zhì)損耗在低電壓下的起始值影響較大，而對(duì)由氣隙放電引起的介損增量基本無影響。這與前文中tanδ1可視作定值的計(jì)算結(jié)果相吻合。

3.2 ρs對(duì)tanδ 的影響

（1）ρs在k? 量級(jí)上

當(dāng)ρs在k?量級(jí)和G?量級(jí)時(shí)，試驗(yàn)線棒的常態(tài)介質(zhì)損耗tanδ－U曲線，如圖6所示。

圖5 Li對(duì)tanδ－U曲線的影響

圖6 ρs對(duì)tanδ～U曲線的影響

由圖6可知，當(dāng)ρs由G?量級(jí)變?yōu)閗?量級(jí)時(shí)，介質(zhì)損耗起始值及其增量均大大增加，主要是保護(hù)電極無法屏蔽線棒端部表面的附加電導(dǎo)電流的影響，該曲線類似于無保護(hù)電極的兩電極測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

（2）ρs在M?量級(jí)～G?量級(jí)范圍

當(dāng)電極為“偽三電極”時(shí)，即ρs在M?量級(jí)～G?量級(jí)范圍，對(duì)真機(jī)線棒測(cè)試其常態(tài)介質(zhì)損耗tanδ－U曲線，如圖7所示。

圖7 真三電極和偽三電極對(duì)tanδ～U曲線的影響

由圖7可知，在各電壓下真三電極介質(zhì)損耗測(cè)試結(jié)果比偽三電極介質(zhì)損耗測(cè)試結(jié)果略小，而介損增量基本相同。這也與表3中Li=5mm且ρs在107?～1010?范圍時(shí)計(jì)算結(jié)果差異不大的情況相吻合。

3.3 局限性

由前文的假設(shè)條件和表 2、表 3的計(jì)算結(jié)果可以知道：當(dāng)保護(hù)間隙的表面電阻率ρs和保護(hù)間隙的間距Li過大或過小時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，這說明該理論模型不適于ρs或Li過大或過小的情況。

當(dāng) ρs或 Li過小時(shí)，由式（5）可知，保護(hù)間隙表面電位沿線棒長(zhǎng)度方向上幾乎相同，同時(shí)保護(hù)間隙的表面電阻較小。此時(shí)電極的邊緣效應(yīng)、保護(hù)電極的屏蔽效果等將明顯影響測(cè)量結(jié)果。因此，該模型不再適用。

當(dāng)ρs或Li過大時(shí)，主絕緣的體積電阻Ra、銅線與主絕緣之間的內(nèi)均壓系統(tǒng)的電阻和電容、保護(hù)間隙的表面電容Ci等均不能忽略，則保護(hù)間隙附加介質(zhì)損耗的計(jì)算不能再簡(jiǎn)化如圖 4，顯然本模型不再適用。

4 結(jié)論

（1）建立了電機(jī)定子線棒絕緣介質(zhì)損耗測(cè)量電極系統(tǒng)的理論模型，計(jì)算了保護(hù)間隙的表面電阻率和保護(hù)間隙的間距對(duì)線棒絕緣介質(zhì)損耗及其增量的影響。

（2）在一定的范圍內(nèi)，計(jì)算值與測(cè)試值的變化趨勢(shì)具有較好的一致性。

（3）該理論模型不適于保護(hù)間隙的表面電阻率和間距過大或過小的情況。

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[2]IEEE 286-2000，IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip up of Electric Machinery Stator Coil Insulation[S].

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