水轮发电机定子线圈腐蚀原因分析

徐 俊 红

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

1 概述

在水轮发电机中，转子磁极通入直流电流后，在原动力的作用下产生旋转磁场，定子线圈切割磁感线产生感应电动势。因此定子线圈（定子绕组）是发电机心脏部分。然而长期的运行经验和发电机定子绕组事故现象表明，发电机定子线圈的腐蚀损坏现象已相当普遍，严重地影响了发电机的安全运行和使用寿命。引起发电机定子绕组事故的最普遍原因是定子铁心、槽楔、垫块、垫条松动，定子绕组端部绑绳松动断裂，致使线圈在运行中产生振动，造成主绝缘磨损腐蚀被击穿。

2 电机定子线圈腐蚀的特点及部位

从高压电机定子绕组线圈主绝缘击穿的现象来看，线圈主绝缘的腐蚀损坏大致可分为两类：一类是从线圈外部主绝缘开始向内的腐蚀损坏，通常称为外腐蚀；另一类是从线圈内部绝缘开始向外的腐蚀，通常称为内腐蚀。

2.1 线圈主绝缘外腐蚀损坏

发电机定子绕组端部和定子铁心内线圈振动，使线圈主绝缘腐蚀损坏。这是外腐蚀损坏事故中最为普遍也最为严重的现象。造成这种腐蚀损坏的主要原因是，发电机在运行中，因其端部绕组在电磁力的作用下产生振动，致使线圈在定子铁心槽内端部固定不牢，发生槽楔、线圈层间垫条、端部间隔垫块和绑绳松动脱落，线圈与绑绳及间隔垫块之间出现摩擦，防晕半导体漆破坏发生电晕腐蚀，从而造成槽部和端部线圈主绝缘击穿。

定子铁心内部磁性物质的磨损腐蚀。这种情况主要是由于定子绕组线圈嵌入前及检修过程中没有认真清理、吹扫定子绕组，导致绕组线圈缝隙及其他死角处遗留了一些微小的磁性杂物，在电机运行时磁性杂物被吸附在线圈主绝缘表面，在电磁感应及电磁力的作用下，磁性杂物呈旋转方式运动，将线圈主绝缘磨钻出坑洞。

定子铁心硅钢片对绝缘的磨损腐蚀。在装压定子铁心的过程中，如果硅钢片叠片不整齐，或者定子铁心通风槽钢及端部压指压装固定不良，或者在检修中损伤了定子铁心，都会造成电机运行时发生振动，磨损绝缘，最终导致线圈的主绝缘被击穿。

2.2 线圈内腐蚀

多次事故统计和故障线圈解剖的结果表明，线圈的内腐蚀也比较严重。对大量内腐蚀线圈的解剖分析表明，内腐蚀一般都是从绝缘与导线间的气隙气泡、线圈直线与端部的R角、线圈引出线假线焊接等部位开始的。内腐蚀现象首先是线圈内部绝缘变白并逐步扩大，随后烧损绝缘形成坑洞并积有大量绿色粉末，从而加速导线股间及主绝缘的腐蚀损坏，直至主绝缘击穿。另外，温度过高导致的热老化也是造成内腐蚀的一个重要因素。

3 线圈发生内、外腐蚀的原因分析

电机定子线圈发生内、外腐蚀的原因，主要是由于线圈主绝缘在电机运行中，长期在电磁振动、高温度和高电压3种因素的作用下而遭到振动磨损、电晕腐蚀及绝缘热老化，使线圈整体绝缘出现脱壳、分层、烧灼、磨损和绝缘强度降低等现象，最终造成绝缘击穿故障。

3.1 电磁振动磨损腐蚀

电机在运行中产生的各种机械振动，都会磨损腐蚀线圈绝缘，其中最主要的是电磁振动对电机端部绕组及槽口的影响。如果定子铁心压装质量不好，绕组端部绑扎工艺不良，使线圈在槽内因固定不良而产生幅值很大的振动，层间垫条和测温元件垫条就会在上下层线圈之间来回窜动而磨损上下层线圈，使线圈主绝缘受损。更严重的是，如果线圈运行中导线通过的电流产生2倍频电磁振动力，则不仅会使线圈与铁心及绕组端部间隔垫块发生振动，使主绝缘表面磨损，而且还会使导线与主绝缘之间，导线的匝间、股间产生摩擦振动，造成导线的匝间、股间松散、短路、断股。同时，在短路部位产生附加损耗与温升，会加速局部主绝缘老化，降低绝缘强度，甚至在正常工作电压下也会造成绝缘击穿故障。因此，电磁振动是造成线圈主绝缘外腐蚀和内腐蚀损坏的主要原因。

3.2 电晕腐蚀

电机运行中，线圈绝缘承受着较高的电场强度，如果绝缘表面防晕层与定子铁心接触不良，线圈在槽内发生振动就会磨损绝缘表面防晕层。此时，绝缘表面对铁心就有较高的电位，在磨损部位产生电晕放电，造成局部瞬时高温，将线圈主绝缘及其他附属绝缘材料烧灼、烧焦。电晕放电还能产生破坏力较强的化学反应，严重腐蚀绝缘和线圈导线，所以内腐蚀严重的部位都集有大量绿色粉末。另外，绕组端部防晕处理不好，会造成电容电流过大，引起定子端部绕组发热，加速端部绕组绝缘热老化腐蚀。

4 防止定子线圈腐蚀的几点建议

（1）线圈股线采用双涤纶玻璃丝包烧结铜扁线，在包扎对地绝缘前，为使导线排间整齐，提高线圈刚度，消除匝间和股间间隙，防止在工作电压下产生内部空气游离，对线圈股间、匝间热模压胶化。每根线圈经特殊换位编织而成，以减小由于端部漏磁场而引起的附加损耗及降低绕组股线温差。

（2）提高定子线圈绝缘材料电气、机械、耐热性能。目前定子线圈采用F级桐马环氧玻璃粉云母带的连续包扎作为对地绝缘，并采用热模压固化成型工艺，绝缘等级为F级。F级桐马环氧玻璃粉云母带以环氧树脂胶粘剂粘合粉云母纸，双面以电工无碱玻璃布为补强，经烘焙加工而成，具有较高的电气、力学性能，耐热等级为F级，适用大型高压电机绕组的主绝缘及其他电机、电器绝缘。

（3） 定子线圈防晕结构采用半导体覆盖层。槽内采用低阻半导体漆覆盖层，线圈直线与端部的R角采用高、低阻半导体漆覆盖层双层结构。定子线圈采用此防晕结构，在1.5倍额定电压下，单个定子线圈不产生电晕，整机在1.1倍额定线电压下，无明显晕带和连续的金黄色亮点。

（4）对于6千伏以上的发电机需测定介质损耗角的正切值，来判断绝缘内部结构是否有缺陷，介质损耗角正切值限制在允许范围内，消除绝缘内部电晕。

（5）定子绕组线圈嵌入前认真清理铁心槽内、吹扫定子绕组端部。端箍装配过程中，特别是分半端箍焊接部位，焊后会产生焊瘤及焊渣、石棉布等遗留物，焊后须认真清理，尤其是铁心上齿压板表面、上齿压板底部、及压指与上层扇形片之间部位，避免绕组线圈缝隙及其他死角处遗留了一些微小的磁性杂物损伤线圈绝缘。

（6）确保定子铁心叠片过程中槽形整齐，定子铁心通风槽钢及端部压指压装固定牢固。铁心叠片过程每叠一段，逐槽用整形棒整形；铁心装配结束后，然后沿槽全长逐槽整形一次， 用通槽棒逐槽进行检查，直至通槽棒在每槽顺利通过；铁心叠片时分段压紧，采用冷压及热压工艺措施，可使铁心单位压力提高到1.5MPa左右，保证定子铁心装压紧度。采用这种措施可保证在各种工况下，铁心无可察觉到的蜂鸣声，并在频率为100Hz时，双振幅量不大于0.03mm。

（7）定子线圈嵌入之前，在线圈槽部位置刷半导体防晕漆，使绝缘表面和铁心具有同电位，该处的间隙短路，同时也使通风槽口电位均匀，降低轴向场强，以消除绝缘表面电晕；定子线圈采用加包半导体槽衬纸以保证线棒与铁心良好接触，降低槽电位，槽电位控制在5V以内。根据定子铁心每槽槽宽与线圈宽的差值即槽壁与线圈的间隙值确定包绕在线圈上的半导体槽衬纸层数(2，3，4层)，半导体槽衬纸层间涂刷半导体胶。目前水电大型机组如龙滩等，定子线圈采用半导体槽衬纸涂刷硅橡胶的工艺方法。硅橡胶固化前、后有一定的膨胀量，进一步保证线圈在嵌入槽底后，线棒与槽壁之间的间隙小于0.1mm，长度不大于100mm。

（8）严格执行绕组端部的绑扎工艺。定向无碱玻璃丝带经脱蜡处理后，浸渍云母胶，用于绕组定子线圈端部绑扎。定子线圈端部绑扎过程中涂刷绝缘胶使之完全固化，以增加端部各部件的整体强度，提高端部抗振能力和抵御短路冲击的能力；采用耐电晕适形材料浸渍绝缘胶填塞端部斜边及固定件的间隙，以防止端部异相间及固定件电晕。

（9）避免槽楔装配过程中损坏线圈绝缘。首先确定好楔下垫条厚度，逐槽实配，保证槽楔打紧后，线棒无松动。垫好楔下垫条，将主槽楔放在适当位置，副槽楔塞进主槽楔底下1/2～1/3，然后用打槽楔工具，将副槽楔打进槽中，槽楔端头对齐。施工过程中采用铜锤作为敲打工具。并在其上加一层海绵和环氧板，厚度约2mm，这样可以缓冲压力，在一定程度上减轻对线棒的损坏。随着工艺的逐渐改进，目前国内水轮发电机 700MW 机组如龙滩、三峡等，槽楔装配过程中在主、副槽楔之间加入波纹弹簧垫条，波纹弹簧垫条在主、副槽楔之间起到缓冲作用，既保证了槽楔打紧量，又避免了由于用力过大而损伤线圈绝缘情况发生。

（10）在电机检修期间，应对电机两侧做端部双倍频振动测试，对存在100Hz固有频率的部位要重点进行绑扎处理，以消除端部固有频率的振动。

（11）加装发电机定子绝缘局部放电监测仪，随时监测发电机定子绝缘的放电，为故障检修及周期维护提供依据。