何 強(qiáng)，任 波，楊 烽，韓尊占，黃曉東

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某大型電站發(fā)電機(jī)額定容量為777.8 MVA，額定電壓為20 kV，發(fā)電機(jī)定子繞組為三相雙層波繞組，每相5 支路并聯(lián)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變的高電阻方式接地。該電站16F 發(fā)電機(jī)在機(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)定子線(xiàn)棒端部存在發(fā)黑、發(fā)白現(xiàn)象，經(jīng)檢查評(píng)估后確認(rèn)該現(xiàn)象是由輕微電暈引起的。

發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒電暈是由于線(xiàn)棒絕緣表面某些部位電場(chǎng)分布不均勻，局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致附近空氣電離，而引起的輝光放電[1]。線(xiàn)棒電暈產(chǎn)生與線(xiàn)棒制作工藝、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行電壓等因素有關(guān)。線(xiàn)棒產(chǎn)生電暈后，會(huì)對(duì)絕緣慢慢進(jìn)行侵蝕，如果不及時(shí)處理，最終會(huì)引起發(fā)電機(jī)絕緣故障。發(fā)電機(jī)絕緣故障是造成發(fā)電機(jī)故障的主要原因之一，絕緣系統(tǒng)的健康狀況直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)是否能夠安全可靠的運(yùn)行[2]。

1 概述

電暈是極不均勻的電場(chǎng)分布造成的放電現(xiàn)象，在局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)強(qiáng)時(shí)，由于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3 kV/mm）低于發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使空氣發(fā)生電離，電暈的放電強(qiáng)度雖然不是很高，但如果不及時(shí)處理，會(huì)逐漸降低絕緣材料的性能。電暈還使其周?chē)a(chǎn)生帶電離子，各種不利因數(shù)的疊加，一旦定子繞組出現(xiàn)過(guò)電壓，就有造成線(xiàn)棒擊穿的可能[3]。

在16F 發(fā)電機(jī)內(nèi)部檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)定子線(xiàn)棒上、下端部出槽口與鐵心壓指平行處存在多處疑似電暈痕跡，防暈層表面油漆出現(xiàn)發(fā)黑、發(fā)白現(xiàn)象，電暈圖片如圖1 所示，電暈統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 電暈統(tǒng)計(jì)表

圖1 電暈圖片

2 原因分析

2.1 定子線(xiàn)棒絕緣材料

發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒主絕緣主要由浸漬樹(shù)脂、云母帶、促進(jìn)劑組成，其中浸漬樹(shù)脂采用純環(huán)氧-酸酐浸漬樹(shù)脂，云母帶主要包括云母、補(bǔ)強(qiáng)材料和粘接劑，促進(jìn)劑的加入延長(zhǎng)了浸漬樹(shù)脂的貯存和使用壽命[4]。

2.2 定子線(xiàn)棒防暈結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒的絕緣系統(tǒng)采用的是單只線(xiàn)棒VPI 絕緣系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝為線(xiàn)棒浸漬后進(jìn)行模壓固化[4]。線(xiàn)棒的槽內(nèi)固定使用了導(dǎo)電槽襯結(jié)構(gòu)，線(xiàn)棒直線(xiàn)段采用低阻防暈帶和低阻防暈漆，端部防暈結(jié)構(gòu)使用多級(jí)防暈結(jié)構(gòu)[5]，如圖2 所示，1 為低電阻防暈層，2 為第一級(jí)高電阻防暈層，3 為第二級(jí)高電阻防暈層，4 為第三級(jí)高電阻防暈層，5 為防暈保護(hù)層，6 為覆蓋漆。

圖2 線(xiàn)棒防暈結(jié)構(gòu)圖

2.3 定子線(xiàn)棒電暈原因分析

在發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒槽口、定子鐵心通風(fēng)溝邊緣及定子線(xiàn)棒槽壁間隙處，線(xiàn)棒絕緣表面的電場(chǎng)分布是不均勻的，當(dāng)以上部位局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，附近氣體的帶電離子發(fā)生局部游離而產(chǎn)生電暈。電暈放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生臭氧，臭氧與空氣中的氮?dú)饨Y(jié)合生產(chǎn)硝酸根，硝酸根外在的表現(xiàn)形式為白色粉末，附著在線(xiàn)棒的表面，即檢查時(shí)所發(fā)現(xiàn)的白色粉末。根據(jù)電暈檢查結(jié)果表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，電暈形成原因主要分為以下幾個(gè)方面。

2.3.1 高低阻搭接不良

高低阻搭接部位是一個(gè)電氣連接區(qū)域，容性電流會(huì)流過(guò)該部位，如圖3 所示，如果高低阻搭接不良，搭接區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連接電阻R，在電流作用下產(chǎn)生額外的I2R損耗，形成一個(gè)局部熱區(qū)。升高的溫度借助氧化過(guò)程進(jìn)一步增加電阻值，使得部分搭接區(qū)域不再具備導(dǎo)電性，在半導(dǎo)體覆層末端的高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下發(fā)生局部放電，形成電暈。

圖3 主絕緣電容模型

從檢查結(jié)果分析，部分槽電暈均位于定子線(xiàn)棒出槽口高度約與壓指等高位置，為高低阻搭接過(guò)渡段，發(fā)生在高低阻搭接部位數(shù)量占總數(shù)80%以上，高低阻搭接區(qū)電暈在運(yùn)行電位大于9 kV 以上的線(xiàn)棒占比超過(guò)70%，說(shuō)明運(yùn)行電位較高的線(xiàn)棒其高低阻搭接區(qū)更容易產(chǎn)生電暈。

2.3.2 高電位運(yùn)行

在16F 發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒電暈統(tǒng)計(jì)中，出現(xiàn)電暈的點(diǎn)其運(yùn)行電位超過(guò)9 kV 的數(shù)量占比為73.4%，較高運(yùn)行電位會(huì)在出槽口部位形成更高的感應(yīng)電壓和場(chǎng)強(qiáng)，更容易產(chǎn)生電暈。

2.3.3 出槽口部位臟污

當(dāng)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出槽口部位積累油污和粉塵時(shí)，使繞組表面電阻率下降，改變繞組表面場(chǎng)強(qiáng)的分布，繞組表面的等電位線(xiàn)方向會(huì)偏離原來(lái)方向，局部的表面電位差會(huì)變大，使端部電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，加劇電暈發(fā)生[6]。

2.3.4 線(xiàn)棒生產(chǎn)工藝離散性

16F 發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒中已有94 支存在電暈現(xiàn)象，占總數(shù)的9%，考慮到現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)棒運(yùn)行環(huán)境的基本一致，只有少數(shù)線(xiàn)棒存在電暈現(xiàn)象，說(shuō)明線(xiàn)棒生產(chǎn)工藝存在離散性。

3 發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒電暈處理措施

發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒電暈處理流程如圖4 所示。

圖4 線(xiàn)棒電暈處理流程

3.1 線(xiàn)棒修復(fù)前起暈試驗(yàn)

在對(duì)線(xiàn)棒電暈進(jìn)行處理前，測(cè)量定子繞組的絕緣電阻和吸收比，然后進(jìn)行起暈試驗(yàn)，逐步緩慢升高至額定相電壓，停留1 min 并觀察，然后按照每級(jí)1 kV 分階段加壓，每階段持續(xù)時(shí)間為1 min，逐步加壓至1.1 UN，采用暗室目測(cè)法和使用紫外成像儀觀察發(fā)電機(jī)定子繞組端部電暈情況。

3.2 低阻段修復(fù)部位清理及防護(hù)

著重清理層間和槽口墊塊處臟污，擦拭階梯片清理部位、出槽口部位，電暈痕跡清理干凈后刮去表面紅瓷漆。修復(fù)部位清理干凈后用紙膠帶三面包繞。

3.3 低阻段刷包

采用半疊包方式，邊包邊刷低阻漆，空間限制區(qū)域不便刷包時(shí)，可涂刷低阻漆，需將線(xiàn)棒4 個(gè)面均刷到。低阻漆刷包完成后，再在低阻段刷包層表面涂刷低阻漆，使低阻段表面整潔、平實(shí)，刷包或涂刷均勻、無(wú)氣泡、無(wú)遺漏，首末端整齊并與線(xiàn)棒軸向垂直，低阻區(qū)涂刷必須可靠搭接線(xiàn)棒原有低阻漆、槽襯紙及定子鐵心三個(gè)部位，確?？煽繉?dǎo)通。

3.4 高阻段修復(fù)

低阻段刷包室溫下晾干24 h 后，高阻段刷包也是采用邊刷包邊刷高阻漆工藝，半疊包刷包一層，刷包完成后，再用高阻漆在刷包層表面涂刷，確保高阻段表面整潔、平實(shí)、無(wú)氣泡、無(wú)遺漏。刷包完成后室溫下晾干24 h。

3.5 線(xiàn)棒端部修復(fù)面紅瓷漆涂刷

用無(wú)堿玻璃纖維帶附著紅瓷漆涂刷高阻刷包部靠近下層線(xiàn)棒面及兩個(gè)側(cè)面，涂刷完成后拆除低阻段防護(hù)紙膠帶，再涂刷低阻段，低阻段涂刷時(shí)需水平涂刷，防止低阻漆顆粒污染高阻段。涂刷完成后在室溫下晾干48 h 及以上，晾干后拆除下層線(xiàn)棒防護(hù)紙膠帶。

3.6 線(xiàn)棒修復(fù)后起暈試驗(yàn)

起暈試驗(yàn)加壓至1.1 UN后，繼續(xù)緩慢升壓至1.5 UN進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，停留1 min。全程重點(diǎn)觀察記錄修復(fù)后各線(xiàn)棒起暈情況，通過(guò)紫外成像儀觀察各修復(fù)線(xiàn)棒光子數(shù)，以驗(yàn)證修復(fù)效果。耐壓完成后測(cè)量絕緣電阻和吸收比。

4 發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒電暈評(píng)估

4.1 線(xiàn)棒解剖

為研究電暈是否會(huì)對(duì)線(xiàn)棒絕緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇電暈現(xiàn)象明顯、運(yùn)行電位11.38 kV 的311 槽上層線(xiàn)棒進(jìn)行解剖。

4.1.1 線(xiàn)棒外觀檢查

線(xiàn)棒拔出后，311 槽上層定子線(xiàn)棒槽部無(wú)放電痕跡，通風(fēng)溝部位的填充膩?zhàn)油怀雒黠@，導(dǎo)電膩?zhàn)犹畛淞己?。電暈痕跡呈不規(guī)則的橢圓形，如圖5 所示。根據(jù)線(xiàn)棒防暈結(jié)構(gòu)，可判斷電暈痕跡出現(xiàn)在第一級(jí)高阻首端，未發(fā)生在高低阻防暈層搭接區(qū)域。

圖5 電暈痕跡圖

4.1.2 清潔、砂磨、觀察

使用酒精擦拭線(xiàn)棒電暈部位，白色斑痕消失，現(xiàn)出下層黑色斑痕，該黑色斑痕無(wú)法通過(guò)酒精擦拭去除。使用細(xì)砂紙砂磨黑色斑痕，黑色斑痕消失，在砂磨面與未砂磨面之間來(lái)回觸摸，未發(fā)現(xiàn)明顯臺(tái)階，整個(gè)表面仍平整，如圖6 所示。將砂磨面擴(kuò)大，對(duì)無(wú)電暈部位同樣砂磨后，原黑色斑痕砂磨后的表面與無(wú)電暈痕跡表面砂磨后的外觀一致、無(wú)色差。電暈痕跡僅存在于紅瓷漆表層，電暈痕跡未穿透紅瓷漆層。

圖6 砂紙打磨前后線(xiàn)棒表面圖

4.1.3 發(fā)空檢查

使用金屬小錘輕微敲擊線(xiàn)棒電暈部位及其周?chē)课?，包含附近的端部和槽部絕緣表面，電暈部位無(wú)發(fā)空聲音且與對(duì)應(yīng)的非電暈部位聲音一致，電暈部位及其周?chē)课坏姆罆灡Ｗo(hù)層、防暈層、主絕緣層無(wú)發(fā)空現(xiàn)象。

4.1.4 線(xiàn)棒絕緣及防暈結(jié)構(gòu)檢查

將線(xiàn)棒電暈面的兩個(gè)棱邊銼磨直至主絕緣表面，能夠觀察到防暈保護(hù)層、防暈層、主絕緣層之間密實(shí)、無(wú)分層，如圖7 所示。沿銼磨后的棱邊，剝離防暈保護(hù)層。剝離過(guò)程中，防暈保護(hù)層粘接良好，剝離困難。剝離的防暈保護(hù)層內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)電暈痕跡、無(wú)電流燒蝕、變色痕跡，防暈保護(hù)層與防暈層無(wú)分層現(xiàn)象，線(xiàn)棒表面電暈未影響到下方的防暈保護(hù)層。

圖7 剝離線(xiàn)棒防暈層

通過(guò)對(duì)線(xiàn)棒絕緣及防暈結(jié)構(gòu)檢查，311 槽線(xiàn)棒主絕緣、低電阻防暈層、高電阻防暈層、防暈保護(hù)層粘接良好，無(wú)分層，高低電阻防暈帶搭接尺寸正常，電暈痕跡僅存在于線(xiàn)棒端部表面，未對(duì)下方的防暈層和主絕緣造成影響。

4.2 線(xiàn)棒運(yùn)行評(píng)估

修復(fù)的線(xiàn)棒在經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行后，處理部位外觀良好，未發(fā)現(xiàn)黑斑和白斑，如圖8 所示，可確認(rèn)電暈修復(fù)方案是有效的。

圖8 電暈修復(fù)后運(yùn)行檢查圖

5 電暈檢測(cè)和預(yù)防措施

5.1 電暈檢測(cè)

電暈檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣問(wèn)題的有效方法，在發(fā)電機(jī)檢修時(shí)，可以通過(guò)暗室目測(cè)法結(jié)合紫外成像儀以及局放試驗(yàn)進(jìn)行電暈檢測(cè)。線(xiàn)棒電暈的產(chǎn)生通常伴隨著局部放電，局部放電與定子繞組絕緣有著密切的關(guān)系，一旦發(fā)生局部放電，會(huì)加速絕緣劣化。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)安裝發(fā)電機(jī)局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，是診斷線(xiàn)棒絕緣的有效方法[7]。

目前，每臺(tái)發(fā)電機(jī)均安裝了發(fā)電機(jī)局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，采集傳感器安裝在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變柜內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。

5.2 線(xiàn)棒電暈預(yù)防措施

電暈一旦產(chǎn)生，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒絕緣產(chǎn)生不利影響，主要分為線(xiàn)棒生產(chǎn)制造及安裝過(guò)程中預(yù)防措施和機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中預(yù)防措施。

5.2.1 線(xiàn)棒生產(chǎn)制造及安裝過(guò)程預(yù)防措施

為了解決電暈問(wèn)題，在傳統(tǒng)工藝如線(xiàn)棒匝間浸漆、匝間模壓、對(duì)地絕緣的熱模壓、定子線(xiàn)棒的整體浸漆或真空壓力浸漆等的基礎(chǔ)上，主機(jī)廠還研究開(kāi)發(fā)了新的防暈結(jié)構(gòu)工藝和研制新型防暈材料，如端部防暈結(jié)構(gòu)使用多級(jí)涂刷型防暈結(jié)構(gòu)，采用一次成型防暈工藝，進(jìn)一步提高防暈技術(shù)水平[8]。此外，還采取一些輔助措施來(lái)增強(qiáng)防暈?zāi)芰?。例如，為保證線(xiàn)棒與鐵心接觸良好，線(xiàn)棒表面不產(chǎn)生電暈，不對(duì)鐵心放電，在定子繞組下線(xiàn)前將定子槽內(nèi)壁涂以半導(dǎo)體漆，線(xiàn)棒用半導(dǎo)體槽襯紙包裹后下線(xiàn)，在線(xiàn)棒與槽壁、線(xiàn)棒與槽底間塞墊半導(dǎo)體層壓板或在槽底加墊半導(dǎo)體浸漬滌綸氈等。

5.2.2 機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中預(yù)防措施

在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒端部會(huì)積累粉塵、油霧，這些粉塵、油霧會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)棒電暈的產(chǎn)生，因此在發(fā)電機(jī)停機(jī)或檢修時(shí)定期對(duì)定子端部進(jìn)行清洗，可有效減少電暈的產(chǎn)生。此外，由于線(xiàn)棒下線(xiàn)時(shí)的離散性，部分出槽口的半導(dǎo)體槽襯紙未進(jìn)行及時(shí)清理，也會(huì)導(dǎo)致放電，需及時(shí)剪去多余的半導(dǎo)體槽襯紙。

6 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的健康狀況直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)是否能夠安全可靠運(yùn)行，電暈作為診斷發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)，掌握線(xiàn)棒電暈產(chǎn)生的機(jī)理能提前預(yù)防電暈的產(chǎn)生，一旦線(xiàn)棒產(chǎn)生電暈，及時(shí)采取有效處理措施對(duì)電暈進(jìn)行修復(fù)，能夠及時(shí)避免發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)惡化，從而避免發(fā)電機(jī)故障，確保發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。