大型抽水蓄能机组发电电动机定子局部放电的研究

付朝霞

（北京十三陵蓄能电厂，北京市 102200）

1 引言

1.1 局部放电

局部放电是发生在高压绝缘空隙中或间隙中的小电火花，如果设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，当电压应力超过了在这些空隙中存在的气体的电击穿强度时，局部放电就会发生，其特点是在高电场作用下发生的重复击穿和熄灭的现象。局部放电可能发生在固体绝缘的空穴中、液体绝缘的气泡中、具有不同特性的绝缘层之间，以及金属（或半导电）电极的尖锐边缘处。由于气体的击穿场强比固体介质低得多，气体中的电场又比固体介质中高，因此往往在气隙的部位产生局部放电。

局部放电产生的条件是电压和气隙。当气隙中的电场强度达到电击穿强度时（空气的电击穿强度约为3kV/mm），气体被电离，从而有电流通过，造成局部导通。

1.2 局部放电脉冲特性

局部放电脉冲为上升时间极快的小电流脉冲，在放电原点处，脉冲的上升时间只有1～5ns，因此局部放电脉冲的频率f在 50 ～ 250MHz之间，局部放电测量传感器的频率段应包含局部放电脉冲的频率段。

1.3 发电机定子的绝缘故障

图1 局部放电脉冲信号

发电机定子绕组绝缘老化或受损后，绝缘介质内部将出现裂缝、气泡、气隙等，当外施电压达到气隙放电场强后，气隙开始放电，起初放电的能量很小，它的短时存在并不影响定子的绝缘强度，但若发电机定子绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应，从而产生高能量的电容性放电，使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最终导致整个绝缘击穿。

虽然局部放电会使定子绝缘劣化而导致损坏，但它的发展需要一定的时间，发展时间与设备本身的运行状况及局部放电的种类，与其产生的位置和设备的绝缘结构等多种因素有关。

因此，通过监测局部放电可以有效地掌握定子的绝缘状况，根据放电量的逐年变化及其大小可以判断发电机定子绝缘的演变及现状，尤其在绝缘隐患未发展到真正的缺陷之前，通过常规的绝缘试验（绝缘电阻，交流耐压）检查通常是发现不了的。

1.4 发电机定子的局部放电

发电机定子的局部放电可能在线棒的铜导体和接地的铁芯之间的任何气隙中产生，包括定子线棒绝缘内部、线棒绝缘与铜导体接触部分或者线棒绝缘表面。另外，在发电机定子中，线棒的绝缘外层并非都与铁芯接触，所以局部放电还会在绕组端部区域发生，当绝缘受潮、表面脏污或外部防晕层损害时，线棒端部会发生表面放电或闪络现象。

图2 发电机定子线棒内气隙放电及其等效电路图

2 发电机定子局部放电类型

根据发电机定子绕组中局部放电发生的位置，其局部放电类型主要有绕组绝缘内部放电、端部及出槽口放电、槽放电以及铜导体和主绝缘间放电4种。

2.1 绝缘内部放电

由于制造工艺上的原因或在长期运行中的电、热、化学和机械力的作用，发电机定子绕组绝缘老化，不可避免地会在绝缘层间出现气隙。在运行电压作用下，气隙中的场强很容易达到击穿场强，出现绝缘内部放电。内部放电会产生大量能量很大的带电粒子，这些高能带电粒子以很高的速度碰撞气隙壁，能够打断绝缘体的化学键，造成绝缘材料的表面侵蚀，局部放电产生的局部过热，会造成高温聚合物裂解而使绝缘损坏。通常在运行电压的作用下，气隙首先击穿，形成局部放电，内部局部放电的电、热、化学和机械力的联合作用，又进一步使气隙扩大，造成绝缘有效厚度减少，使击穿电压进一步降低，最终导致绝缘击穿。

2.2 端部及出槽口放电

发电机定子绕组端部出槽口属套管型结构，电场分布极不均匀，场强集中，轴向场强最强，且此处属低电位向高电位的过渡区域，尽管采取了一系列的措施（如低阻防晕涂层和分级防晕层等），仍是绝缘事故的多发区。对于防晕设计不理想的绕组，出槽口处极易发生高能量的电容性火花放电，严重的放电会逐渐烧损出槽口处线棒的主绝缘，导致绝缘击穿。

通常发电机绕组端部采用绑扎或压板结构固定，在运行中由于振动和摩擦使防晕层损坏时，会引起端部表面放电。由于发电机端部电场局部集中，一旦发生端部放电，将对发电机的绝缘产生很大的破坏作用。

2.3 槽部放电

槽部放电是指线棒主绝缘表面和槽壁之间的放电。其产生的原因是线圈的绝缘体在运行温度下，受热膨胀较小使槽部表面不能和铁芯槽壁完全接触，存在间隙。在运行中因振动或摩擦使槽部防晕层脱落或者线棒本身防晕层不足，当间隙中的电场超过间隙的击穿场强时，即发生槽放电。槽部放电是比电晕放电能量大数百倍的间隙火花放电。放电使空气电离产生臭氧、氮及其氧化物与气隙中的水分子起化学反应，产生腐蚀性很强的硝酸等，引起线棒表面的防晕层、主绝缘、槽楔、垫条等烧损和腐蚀。

2.4 铜导体和主绝缘间放电

与绝缘内部放电类似，由于制造工艺上的原因或在长期运行中的电、热、化学和机械力的作用，定子绕组不可避免地会在铜导体和主绝缘间出现气隙，在运行电压作用下，气隙中的场强很容易达到击穿场强，使导体和绝缘间出现局部放电现象。这种放电产生的能量使绝缘碳化，逐渐出现树状放电轨迹，最终导致绝缘击穿。

3 发电机定子的局部放电特性

通过对大量数据的采集研究，发现发电机定子的局部放电图谱存在较明显的放电特性，总结归纳如下：

3.1 局部放电的相位

根据经验研究，局部放电主要发生在正弦波的上升段，即每一周波的第一和第三象限，也就是电压的上升段。在第一象限，当外加电压上升，气隙两端的正向电压超过局部放电起始电压时，气隙开始放电。放电引起的气隙两端累积电荷建立了一个反向电压使气隙内部的电压减小。当气隙两端的电压再次上升到局部放电起始电压时局部放电再次发生，如此循环直到外加电压不再上升。此后，随着外加电压逐步下降，气隙的电压也逐步下降，当气隙的反向电压超过局部放电起始电压时局部放电再次发生。

但是，不同类型的放电在各象限的行为表现是不同的，并不是所有的放电都表现在一、三象限（比如线棒出槽口处放电），需要根据放电图谱及放电特点来进行具体分析。

局部放电脉冲与交流电相位的对应关系如图3所示。

3.2 局部放电的极性

局部放电脉冲与外加的电压趋势是反向的，在交流正弦波的一个周波的正半周内产生的局部放电为负放电，负半周发生的局部放电是正放电。即在工频正弦波的第一象限，局部放电产生负的、下陷的脉冲；在第三象限，局部放电产生正的、向上的脉冲，这也可以认为是负极性的局部放电发生在气隙的正电压增加的第一象限；正极性的局部放电发生在气隙的负电压增加的第三象限。

图3 局部放电脉冲与交流电相位的对应关系

3.3 局部放电的极性优势

由于局部放电脉冲具有的正、负极性特征，因此在分析局部放电数据时，根据其所表现出来的极性优势，可以判断出局部放电发生的位置。

局部放电信号所表现出来的极性优势与由定子绕组各部位的材料特性有关系，铜导体及绝缘材料得失电子的能力间接反映局部放电脉冲不同的极性优势，因此通过测量得到的局部放电脉冲的极性优势可确定定子线棒局部放电发生的具体部位：局部放电脉冲如表现出正极性优势明显，即正脉冲大于负脉冲，则局部放电多发生在绕组绝缘表面；局部放电脉冲表现出负极性优势，则局部放电发生在铜导体与主绝缘之间；局部放电脉冲表现出正负极性相当的优势，则局部放电多发生在主绝缘内部。

局部放电脉冲的极性优势与局部放电发生的位置对应关系如图4所示。

图4 局部放电脉冲的极性优势与局部放电发生的位置对应关系

4 抽水蓄能机组可逆式发电电动机定子局部放电

举一实例论证通过对水轮发电机定子局部放电典型谱图的研究，发现定子绕组存在的问题，借以论证其谱图分析的准确性。

抽水蓄能机组的发电机与常规水电机组发电机不同，其为可逆式的发电电动机，运行工况复杂，机组启停频繁，负荷不断变化，尤其是发电工况下，根据电网的负荷要求随时都在调整负荷。发电电动机在发电工况和抽水工况下，具有不同的相序，因此同一台机组同一相的同一分支在发电和抽水工况下有可能会表现出不同的局部放电现象。 因此，在进行抽水蓄能机组的局部放电分析时，需要根据不同工况分别进行分析。

某抽水蓄能发电电动机，1996年投运，额定容量200MW，额定电压13.8kV，为3相3分支星接叠绕组，整个定子共180槽360根线棒，每相每分支为40根线棒串联。在定子绕组的每相每分支的高压出线处均安装有一个80PF的电容型局部放电耦合器，用于采集局部放电脉冲。

该台发电机由于早期防晕设计及端部绑扎设计的考虑不足，造成长期运行中的发电机定子绕组存在电腐蚀及线棒松动的问题。定子线棒的电腐蚀非常严重，尤其是出槽口及槽内电腐蚀；线棒下端部存在松动现象。该机组于2006年安装了局部放电在线监测装置。

自2006年至2013年，该发电机的局部放电发展趋势如图5所示。

检查线棒是否存在松动的问题，较有效的方法是机组的发电工况变负荷试验，当线棒松动时，局部放电为表面放电，表现出明显的正极性优势，局部放电会随负荷增加而增加。发电机中有电流通过的线棒在发电机磁场中受的电磁力与电流的平方成正比，Fm∝I2，负荷增加，电流增加，因此线棒受力随负荷增加而增大。如果线棒存在松动现象，随着负荷增加的电磁力增大，线棒的松动随之加剧，放电量随之增大，机组变负荷试验中，机组退出AGC运行，负荷靠人工控制，可以很好地检验线棒是否存在松动问题。该发电机在发电工况变负荷试验中采集的局部放电三维数据如下（图中的QM为局部放电强度）。

图5 发电机局部放电变化趋势图

A相支路1的局部放电特征：

（1）正极性优势明显；

（2）正局部放电量随负荷增长有很明显的变化；

（3）局部放电相位分布在45°和225°左右；

（4）局部放电量在满负荷时相对较大，超过373mV的正常经验值。

根据局部放电特征分析，局部放电正放电优势明显，且局部放电量随负荷的增长由明线的增大趋势，该支路存在线棒松动的现象。

B相支路2的局部放电特征：

图6 A相支路1，发电负荷50MW，QM+：78mV，QM-：88mV

（1）正极性优势明显；

（2）局部放电量随负荷增长没有很明显的变化；

图7 A相支路1，发电负荷100MW，QM+：297mV，QM-：192mV

图8 A相支路1，发电负荷150MW，QM+：416mV，QM-：177mV

图9 A相支路1，发电负荷200MW，QM+：761mV，QM-：183mV

图10 线棒松动造成的磨损

（3）局部放电相位分布在45°和225°左右；

（4）局部放电量较大，超过373mV的正常经验值。

根据局部放电特征分析，该支路线棒没有明显的松动现象，但是有较严重的表面放电现象，属槽内放电的可能性较大。

图11 B相支路2，发电负荷50MW，QM+：764mV，QM-：397mV

图12 B相支路2，发电负荷100MW，QM+：769mV，QM-：517mV

图13 B相支路2，发电负荷150MW，QM+：916mV，QM-：620mV

图14 B相支路2，负荷200MW，QM+：800mV，QM-：475mV

该相分支高电位线棒拆下后，观察现象与局部放电分析基本一致，槽内电腐蚀较严重，大部分防晕层已经腐蚀掉，外层的玻璃丝云母带逐渐腐蚀成白色粉末。

图15 槽内电腐蚀的线棒

如果槽内电腐蚀发展很严重，而线棒端部绑扎设计不足的话，会加剧线棒松动。

图16 A相，负荷50MW，QM+：2580mV，QM-：2974mV

A相支路1的局部放电特征：

（1）局部放电量非常大，接近3000mV，存在较严重的放电点，有可能已经发展到电容性火花放电；

（2）没有非常明显的正、负极性优势；

（3）局部放电相位分布在0°（360°）、180°、45°、225°左右；

图17 A相，负荷100MW，QM+：2526mV，QM-：3102mV

图18 A相，负荷150MW，QM+：2389mV，QM-：2785mV

A相该支路线棒可能存在严重的出槽口放电现象，由于出槽口处放电情况较为复杂，因此其相位分布存在一定的不确定性，也有可能会出现在90°相位附近，如图19所示，该支路为B相支路1，局部放电集中在90°附近，有可能存在出槽口放电。

图19 局部放电图谱

A相支路1的高电位线棒情况如图20所示，与局部放电测量数据结果基本对应，在出槽口处存在严重的电腐蚀问题，电腐蚀已经发展到电容性火花放电，外部防晕层完全腐蚀掉，并逐渐烧灼到了主绝缘。

图20 出槽口电腐蚀

对于抽水蓄能机组，实时在线测量时，抽水工况下的局部放电分析数据相对有效，发电工况下负荷变化过程的电磁干扰会引起局部放电数据的波动，因此发电工况测量的数据会出现时大时小的频繁波动，反映的往往不是发电机真实的局部放电情况，但是，对于有可能存在相间放电的情况，需要结合发电和抽水工况来分析。

局部放电与温度的关系：主绝缘内部或者靠近铜导体的空隙导致的局部放电（负放电占优势或者正负放电都无优势）受温度影响较大。发电机刚启动时处于冷态，温度较低，这些部位的局部放电相对较高；发电机运行一段时间后，铜导体有电流通过，不断发热，温度比启动时高，由于热膨胀的作用，这些部位的空隙会变小甚至消失，因此局部放电会随温度上升呈下降趋势。如果局部放电是发生在线棒表面（正放电占优势），局部放电会随温度上升而增大，呈正比关系。

5 结论

通过对局部放电测量三维谱图的研究、分析、归类及实例的验证，根据局部放电谱图的相位、表现出的极性优势等特征，可分析并确定定子绕组局部放电发生的位置，判断局部放电属绝缘内部、端部及出槽口还是槽内放电，并可判断是由线棒松动、电腐蚀还是表面脏污引起的局部放电，通过实例研究，论证了谱图分析的正确性及局部放电分析查找定位的准确性。

日常通过对局部放电在线数据的长期监测，可发现并总结其局部放电变化的趋势，对于定子绕组的绝缘状况监视具有重要的数据佐证。