大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒電暈現(xiàn)象的思考

馬志忠

（三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司，四川 成都610040）

1 某電站電暈現(xiàn)象

某大型水電站右岸4臺機(jī)組定子繞組為雙層條式波繞組，采用7支路并聯(lián)“Y”形連接，繞組電接頭采用焊接連接方式。中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器接地，定子繞組采用全風(fēng)冷冷卻方式。發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

檢修期間，發(fā)現(xiàn)某發(fā)電機(jī)定子線棒有多處油漆開裂及脫落，在斜邊墊塊處及出槽口部位發(fā)現(xiàn)有大量深褐色油跡附著、線棒或者墊塊表面連續(xù)貫通性灼傷痕跡、面漆粉化呈灰白色、面漆碳化呈黑色、空穴內(nèi)環(huán)氧膠或膩子粉化等電暈現(xiàn)象，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)上層線棒有215處，下層線棒有20處，共計235處。

2 電暈處理

發(fā)現(xiàn)以上現(xiàn)象后，隨即對其進(jìn)行了處理，處理工藝如下。

（1）拆除玻璃絲帶

如圖1所示，使用小號一字螺絲刀、小號木榔頭、環(huán)氧板等工具，按照先1后2的順序進(jìn)行切割，切口與線棒表面距離約為2～4 mm。禁止使用美工刀、鐵榔頭等工器具剝除玻璃絲帶。

圖1 玻璃絲帶拆除示意圖

（2）拆除墊塊

如圖2所示，兩側(cè)用環(huán)氧板防護(hù)，內(nèi)側(cè)用棉布襯墊，然后用馬刀鋸沿深色矩形條指示部位切割，馬刀鋸配合墊木使用，最后用環(huán)氧板剝離。

（3）絕緣破口處理

圖2 墊塊拆除示意圖

如圖3所示，在位置1和2處用小號一字螺絲刀配合木榔頭剝離面漆、底漆，位置1剝離寬度5～10mm，位置2剝離寬度3～5 mm；操作中榔頭敲擊要輕，螺絲刀要穩(wěn)，線棒與螺絲刀夾角不得＞60°。

圖3 坡口制作示意圖

（4）絕緣表面打磨

打磨前用棉布將相鄰線棒周圍塞實，開啟吸塵器。先用直磨機(jī)粗磨，去除表面毛刺、尖角，然后用直磨機(jī)將底漆面漆形成的斷口打磨光滑形成分界面坡口，最后用砂帶打磨邊、角等隱蔽位置。打磨過程要保護(hù)好原有防暈層。

（5）補(bǔ)刷防暈漆（LL16）

防暈漆要嚴(yán)格按照配比進(jìn)行配制，且分批進(jìn)行。配制時要充分?jǐn)嚢?，直至無顆粒狀。涂刷厚度要＞50 μm，涂刷完要充分固化后才可以進(jìn)行下一工序。

（6）墊塊安裝

嚴(yán)格按照要求配制半導(dǎo)體樹脂（EP274）。將墊塊用大小剛好且充分浸漬EP274的毛氈包裹住，并確保與墊塊四邊平齊。線棒間隙清理干凈后，將包裹毛氈的墊塊插入線棒間隙，需使墊塊外邊沿與線棒外邊沿平齊且與相鄰墊塊等高，用手輕搖無松動。EP274固化前，工停場清，用塑料膜做好防塵。

（7）墊塊綁扎

毛氈內(nèi)半導(dǎo)體樹脂（EP274）固化后進(jìn)行墊塊綁扎。綁扎起始方向為切向，第一層應(yīng)盡量重疊壓住端頭，隨后半疊包，必要時使用穿針輔助引線，切向4層，徑向3層；綁扎帶尾部壓在已拉緊的扎帶下面，并用膠水固定（扎帶尾部不打結(jié)），在縱向方向上纏繞在間隔墊塊周圍的玻璃絲帶應(yīng)當(dāng)平包在線棒上，避免在拐角時產(chǎn)生溝槽。

（8）涂刷環(huán)氧樹脂（EP181）

嚴(yán)格按照配比要求配制環(huán)氧樹脂（EP181）。涂刷前用棉布等吸水能力較強(qiáng)的材料對線棒端部進(jìn)行防護(hù)，用透明膠帶對防暈漆進(jìn)行保護(hù)，涂刷時要保證膠體涂刷均勻，無漏刷，綁帶浸漬充分。刷膠分3～5次進(jìn)行，每次間隔2 min，刷膠與清理同步進(jìn)行。充分固化后，方可進(jìn)行下一道工序。

（9）空穴灌注EP181

待玻璃絲帶涂刷膠完全固化后灌注EP181，用絕緣封口膩子HDJ-18封堵墊塊下底面四角縫隙，用注射器從墊塊上底面四個角的空隙注入EP181，緩慢灌注，直至膠體少許溢出，連續(xù)操作3次，每次配膠量要適宜。

（10）表面打磨

先用直磨機(jī)對表面輕微打磨，去除毛刺、尖角，再用砂帶打磨邊、角，最后清理滴掛、覆蓋在防暈漆表面的EP181。打磨過程中，開啟工業(yè)吸塵器除塵。

（11）涂刷防暈漆

防暈漆要嚴(yán)格按照配比要求進(jìn)行配制，涂刷厚度＞50 μm（肉眼不可見底色），空氣中干燥后為深黑粗糙的涂層（部分批次為灰色），涂刷要使漆膜均勻，無滴掛、無流淌、無遺漏。并用砂布打磨固化后出現(xiàn)的漆瘤、毛刺。

（12）涂刷油漆（GK128）

嚴(yán)格按照配制要求配制油漆（GK128），涂刷厚度≥30 μm，空氣中干燥后為暗淡粗糙的涂層。

（13）涂刷油漆（DK222）

要嚴(yán)格按照配制要求配制油漆（DK222），涂層厚度≥30 μm，空氣中干燥后為光滑涂層，如圖4所示。

以上為這次現(xiàn)象的處理過程，基于此，以下從電暈影響因素及形成機(jī)理和防暈現(xiàn)狀等多個方面進(jìn)行探討概括。

3 電暈產(chǎn)生的機(jī)理

發(fā)電機(jī)定子電暈的產(chǎn)生和嚴(yán)重程度主要與機(jī)組海拔高度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電機(jī)定子線棒表面清潔度等因素有關(guān)[3]。下面簡要分析槽部電暈和端部電暈的產(chǎn)生機(jī)理。

圖4 涂刷DK222效果

（1）槽部電暈

在大型水輪發(fā)電機(jī)定子槽部直線段處，線棒與槽壁間存在空氣間隙。這使得具有零電位的鐵心和具有高電位的線棒之間既存在固體絕緣層，又存在薄層空氣隙，這兩種介質(zhì)相互串聯(lián)，在高壓下電機(jī)槽部介電系數(shù)較小的空氣隙中的電場更強(qiáng)，而空氣的耐電強(qiáng)度卻比線棒絕緣層低，因此高壓機(jī)組在長期運(yùn)行情況下槽部薄層空氣隙極易發(fā)生電暈現(xiàn)象[4-5]。

接下來討論一下電暈電壓和薄層空氣隙厚度的關(guān)系。定子槽部直線段處的平面部分可近似地看成平行平板電容器。設(shè)d1為絕緣層的厚度、dg為薄層空氣隙厚度，絕緣層相對介電常數(shù)ε1≈5，空氣隙相對介電常數(shù)εg≈1，U1為絕緣層電壓，Ug為空氣隙電壓，空氣隙場強(qiáng)為Eg。按電場計算原理，在額定工作相電壓下空氣隙中所分到的場強(qiáng)的峰值公式的推導(dǎo)如下：

電壓Un與環(huán)氧粉云母絕緣厚度d的關(guān)系可近似的表示為：

由（1）和（2）以及Eg=Ug/dg可得

由巴申定律可知，空氣隙的擊穿場強(qiáng)與氣隙的厚度有關(guān)。若將巴申曲線中不同空氣隙厚度時對應(yīng)的擊穿場強(qiáng)當(dāng)作Eg分別代入公式3，就可得知定子線棒絕緣在額定線電壓Un下開始發(fā)生局部放電的空氣隙厚度dg，如圖5所示。

圖5 不同額定電壓Un下發(fā)生擊穿的氣隙厚度

由圖5可見最易放電的氣隙厚度dg是0.25～0.5 mm，這是因為當(dāng)氣隙更厚時，分布在氣隙上的場強(qiáng)值降低較多，而當(dāng)氣隙更薄時，氣體的擊穿場強(qiáng)上升較快，這些都會使整個絕緣結(jié)構(gòu)的電暈電壓提高。而且還可知，發(fā)電機(jī)的額定線電壓達(dá)到6 kV或更高就可能發(fā)生電暈[6]。

（2）端部電暈

繞組端部電暈往往比槽部電暈更嚴(yán)重。從線棒出槽拐點(diǎn)開始到線棒端部斜邊這一部分的外表面沒有接地，就像一極沒有連接的電容器，所以在發(fā)電機(jī)端部出槽口處，因為其既存在電場沿絕緣表面的垂線分量，又存在電場的切線分量，電場分布很不均勻。如圖6和7所示，由于線棒端部體積電容Cv的分布作用，導(dǎo)致電容電流分布也不均勻，越接近槽口，端部電流I越大。若ρ1=ρ2=ρ3……，I1=I2=I3……，那么ρ1上的電壓降Δu1顯然要比遠(yuǎn)離槽口的電阻上的壓降大，所以越靠近槽口，電壓降越大，電場強(qiáng)度越高，這里的氣隙就越容易發(fā)生電暈現(xiàn)象[4-6]。

圖6 線棒端部電流I的流向

圖7 等值電路

由以上分析，可知定子線棒出槽口電場相對集中是端部電暈的根源所在。因此如果能夠使此區(qū)域的電場均勻化，那么電暈現(xiàn)象就可以得到有效抑制。而降低定子線棒表面電阻率可以降低線棒出槽口處電場強(qiáng)度。因此，如果防暈材料和結(jié)構(gòu)合理，那么就可以大大減少定子線棒電暈現(xiàn)象。

4 線棒防暈現(xiàn)狀

目前，我國水電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)發(fā)展為100萬kV（世界最大），引領(lǐng)著世界水電的建設(shè)，而機(jī)組防暈的難度越來越大。大型水電機(jī)組定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)有2種：①多膠模壓絕緣，②少膠真空壓力浸漆（Vacuum Pressure Impregnation，VPI）絕緣[8]。20世紀(jì)90年代以前國內(nèi)使用的主要絕緣結(jié)構(gòu)是多膠模壓絕緣結(jié)構(gòu)，90年代后VPI防暈結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入國內(nèi)市場并快速發(fā)展為主流防暈技術(shù)。如圖8所示，VPI絕緣體系主要包括少膠云母帶、浸漬漆和防暈材料。就是線棒進(jìn)行連續(xù)包繞少膠云母帶以后，在浸漆罐內(nèi)通過加熱并抽真空將線棒絕緣層間空氣抽離，并將無溶劑F級浸漬樹脂注入絕緣層，取出后再置于水輪發(fā)電機(jī)定子線棒VPI壓模模具中高溫固化，以保證線棒絕緣成為一個整體。采用這種技術(shù)生產(chǎn)能夠保證防暈層阻值不受主絕緣及浸漬膠的影響，而且生產(chǎn)效率高，防暈層的材料也不會污染主絕緣及浸漬膠，絕緣整體性能好，有效減少了發(fā)電機(jī)電暈放電現(xiàn)象。

圖8 國內(nèi)某水電站線棒端部VPI防暈結(jié)構(gòu)圖

槽部和端部這2個部位的防暈是線棒防暈的重點(diǎn)。線棒槽部防暈是將低阻漆涂噴在線棒直線段和鐵心槽表面，或者將含碳黑和石墨的低阻防暈帶包扎在線棒直線段的表面，形成完整的低電阻防暈[7]，線棒直線段防暈長度比定子鐵心槽長度略長。線棒端部防暈材料采用的是高阻防暈帶或高阻防暈漆。

線棒槽部低阻防暈區(qū)和線棒端部高阻防暈區(qū)之間有一搭接區(qū)，而此區(qū)域的防暈系統(tǒng)是最關(guān)鍵的。不同的線棒生產(chǎn)廠家在槽部低阻防暈區(qū)的結(jié)構(gòu)差別很小，但是在端部高阻防暈區(qū)的結(jié)構(gòu)就有明顯差別。目前，高阻防暈結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：①利用碳化硅的非線性特點(diǎn)采用單級防暈或多級防暈結(jié)構(gòu)；②使用多種防暈漆的多級結(jié)構(gòu)；③從低阻/高阻搭接區(qū)至線棒電接頭全部利用高阻防暈結(jié)構(gòu)等[2]。

5 結(jié)語

文中列舉的某大型水電站機(jī)組的電暈主要由斜邊墊塊綁扎工藝、運(yùn)行工況及其環(huán)境污染造成，經(jīng)處理后能有效減輕該機(jī)組定子端部電暈的產(chǎn)生。眾多參考文獻(xiàn)均表明造成電暈的主要原因是“發(fā)空”，包括墊塊、端部高阻與低阻搭接部位，線棒內(nèi)部等部位“發(fā)空”，而這與線棒的設(shè)計、制造工藝、安裝工藝以及運(yùn)行條件都有直接關(guān)系。而探討電暈影響因素、產(chǎn)生的機(jī)理以及防暈結(jié)構(gòu)有助于對產(chǎn)生的電暈進(jìn)行原因分析和及時處理，避免事故的發(fā)生。雖然目前的電暈防治技術(shù)還不能根除電暈現(xiàn)象，但隨著社會科技的發(fā)展，相信未來終將會有新的突破。