发电机定子安装工艺对绕组端部电晕的影响

杨增杰，杨国庆（华能澜沧江水电股份有限公司检修分公司，云南昆明650214）



发电机定子安装工艺对绕组端部电晕的影响

杨增杰，杨国庆
（华能澜沧江水电股份有限公司检修分公司，云南昆明650214）

摘要：澜沧江流域某电厂发电运行1年后，检修检查6台发电机定子，在线棒端部、端箍、斜边垫块处均发现有明显的电晕电腐蚀白色斑点、放电灼烧变色痕迹。在后续检修中从施工工艺的改善和更改绕组接线2个方面对发电机端部电晕及放电进行处理，基本消除了端部放电，本文从安装工艺方面阐述工艺对电晕的影响及改善方法。

关键词：电晕；斜边间隙；施工工艺；尖角毛刺；绕组改接线

0引言

高压电机整机电晕包括槽部电晕、线棒槽口电晕和端部电晕，电机的防晕主要是解决线棒槽部对槽壁不放电，线圈端部不发生电晕，下线前线圈起晕电压要求达到或超过标准指标，并经长期运行后防晕性能安全可靠。澜沧江流域某电厂水轮发电机SF700─40/12770，单机容量700 MW，额定电压18kV，绕组接线3相8支路双层波绕组，槽数480槽，节距1-14-25，整数槽绕组，绝缘等级F级，定子安装海拔为998.5 m，绝缘材料主要为环氧粉云母，冷却方式为密闭自循环空气冷却。机组安装运行后，检修中检查均发现定子绕组端部端箍、斜边垫块、绑绳等部位有明显的电晕电腐蚀白色斑点、放电灼烧变色痕迹，电晕试验紫外成像检测端部电晕现象严重。

1某电厂发电机端部电晕问题

该电厂共有6台水轮发电机组，其中：1号、3号、5号、6号和2号、4号机定子线棒分别由不同的2个生产厂家设计制造；这些机组在安装过程中没有异常，运行一段时间后6台发电机定子绕组端部均出现了不同程度的电晕放电现象。主要是4种不同类型的电晕及放电：①异相线棒、引出线线棒之间电晕。如图1-1、图1-2所示。②异相线棒间斜边垫块的气隙或边缘处电晕。如图1-3所示。③下层两异相线棒与端箍间电晕。如图1-4、图1-5所示。④电晕试验紫外成像仪检测端部电晕。如图1-6所示。

图1　绕组端部电晕电腐蚀

2端部电晕、放电原因分析

2.1电机防晕系统

该电厂所使用的定子绕组防晕，单根线棒防晕在厂内制造时完成，出厂前进行耐压和电晕试验，端部整体防晕在现场安装过程中完成，并开展整机电晕试验。

2.1.1单根线棒防晕

1、3、5号发电机线棒防晕。定子线棒防晕结构为传统的半截结构，即端部高阻防晕层末端离引线有一定的放电距离（距离引线绝缘终止处80～90mm），其绕组端部为3段防晕梯度设计并外加防晕层结构，该防晕结构在国内龙滩电站、三峡电站、锦屏电站、溪洛渡电站均有应用，且技术较为成熟。

2、4号发电机线棒防晕。定子线棒防晕采用端部全包防晕层，防晕层末端与引线相连，其绕组端部为2段防晕梯度设计，且在装机时在端部整体喷涂高阻防晕漆，该防晕结构已在国外大型水轮发电机组应用多年，且技术较为成熟。

2种防晕系统均包括槽部防晕和端部防晕，分别具有不同功能。槽部防晕保证定子线棒和定子铁心间电气接触并抑制槽部放电。端部防晕是减低定子线棒表面电场梯度，并抑制机组绕组端部电晕。2种线棒在厂内试验，均满足标准要求即单根线棒在1.5 UN电压下不起晕。

2.1.2端部整体防晕系统

1、3、5号发电机端部整机防晕系统。按厂家图纸要求确认斜边垫块位置，调整斜边垫块厚度，调整线棒之间端部及斜边的间隙尽量均匀；斜边垫块、端箍及槽口垫块等固定件与线圈直接接触面均需垫放浸渍高阻防晕漆的涤纶适形材料，线棒斜边垫块绑带与线棒必须贴合，绑扎后将线头塞到内部，保持外部光滑平整，浸渍胶固化后表面打磨，使之光滑无尖角，最后用吸尘器清理浮尘和粉碎；在绕组端部线棒原高阻防晕漆的表面喷高阻防晕漆2遍，上层下层分别实施，喷涂时先喷绑带、涤纶毡和斜边垫块，之后再喷涂定子线棒整个端部表面和端箍，铜环引线支架与引出线接触处涂刷高阻防晕漆。

2、4号发电机端部整机防晕系统。定子线棒安装在定子槽部后，按图纸要求正确定位并绑扎在绕组端部。绕组端部所有材料经电场梯度化材料（防晕材料）处理。线棒安装后，垫块包裹浸渍防晕材料的毛毡，垫块由玻璃丝带和树脂固定。完成后，绕组端部再次进行防晕处理，喷防晕材料。现场线棒安装后，固定玻璃丝绳绝缘端箍并浸渍绝缘漆。安装和浸渍后，玻璃丝绝缘端箍上喷涂防晕材料，抑制电晕。同时要求垫块和玻璃丝带安装后无气隙和褶皱，相间线棒需保持恰当的空气距离。

2.2线棒端部缺陷对电晕、局部放电产生的影响

2.2.1绕组端部电晕位置工艺缺陷

针对发电机端部电晕、局部放电现象检查发现端部出现电晕、放电现象位置存在如下情况，部分位置几种情况同时存在。①异相线棒间间隙较小。设计要求端部间隙≥12 mm，部分位置由于线棒公差、安装调整不到位、引线位置手包绝缘过厚等，实际间隙<12 mm，部分位置则大于平均间隙；②垫块与线棒绝缘表面间存在间隙。斜边垫块安装时，适型毛毡规格与垫块规格不一致，毛毡与垫块未对齐造成绝缘表面与垫块间局部间隙；③线棒间隔垫块外侧绑带存在褶皱、尖角、毛刺。垫块绑带边沿毛刺未清理干净，绑带收尾接头未处理好，绑带绑扎过程中扭转；④金属端箍与下层线棒间适型毡存在褶皱、尖角、毛刺、局部小间隙，端箍绑带与线棒绝缘表面间间隙毛刺；⑤端部异相线棒间线棒表面不光滑、漆瘤。

2.2.2安装工艺不良对端部电场及电晕起始电压的影响

1）异相线棒间间隙较小。造成异相线棒间间隙较小的原因有：①安装时端部间隙调整不到位导致部分斜边间隙大于平均值、部分小于平均值；②位于引出线部位的异相线棒由于引线手包绝缘尺寸较大导致斜边间隙较小；③整体设计偏紧凑斜边间隙裕度较小。图2是发电机绕组端部2只不同相相邻线棒的截面示意图，从横截面看，两个铜导体间可看成3个电容串联，分别是A相主绝缘电容、线棒表面间的空气隙电容和B相主绝缘电容。离铁心越远线棒表面电压越高，靠近绕组端部、绝缘表面电压已接近导体电压，为简化分析，每个电容都用平行极板电容模型进行计算，电容值取决于绝缘厚度和绝缘材料的介电常数，按照普通电容的分压关系，假设相间线棒间电压差为UN、线棒单边绝缘的厚度为a、云母绝缘介电常数εa、斜边间隙距离d、空气介电常数εd，则空气隙上所承受的电压U空气见式（1）、式（2）所示，超过80 %线电压由端部的相间间隙所承受,不同结构发电机其主绝缘厚度、斜边间隙等不同，端部的相间间隙所承受电压不同。斜边间隙中电场强度E空气见式（3），可见在安装阶段发电机绕组的主绝缘厚度、绝缘材料、绕组接线均已确定即UN、a、εa、εd均已确定，而斜边间隙距离在安装过程中会有一定的变化。安装中影响斜边间隙中电场强度E空气的主要参数为d斜边距离。因此安装过程中斜边间隙的调整控制及为重要，尤其是绕组设计中相间电压差较高，端部间隙设计紧凑，薄主绝缘设计的发电机，另外通常绕组首端引线电压均较高（如采用手包绝缘引线的发电机），应密切关注手包绝缘对斜边间隙的影响。安装过程中工艺还会导致端部局部电场集中（后续讨论中加以说明）。

假设固体绝缘相对介电常数等于4，空气相对介电常数εd约等于1，主绝缘单边厚度a为4.1mm，设计斜边间隙d为12 mm，带入上式则：

图2　绕组端部两只相邻线圈的截面图、电路图

2）斜边垫块与线棒绝缘表面之间间隙。造成斜边垫块与线棒绝缘表面间隙的原因有：①使用的适形毛毡规格与垫块尺寸不匹配，安装后毛毡偏小，垫块与线棒表面间有局部间隙；②在斜边垫块安装时浸渍过防晕材料的适形毛毡已固化变硬起不到适形作用；③少数垫块位置受线棒手包绝缘表面不平整的影响产生局部间隙。现在对绕组端部异相线棒间斜边垫块部位的电场分布情况作一简单分析。假定2个线棒分别为A相和B相，端部相互平行，两相绕组端部表面无防晕层，两相绕组的导体之间可近似看成一个平板电容器，电容器内部有1隔垫块。电容器2个极板间的绝缘层依次是：A相绝缘层、斜边垫块、B相绝缘层，若斜边垫块与绝缘层间无气隙，而且斜边垫块与绝缘层的电容率、电阻率相同时，则电位分布见图3中曲线a；若在斜边垫块与绝缘层之间有气隙，则气隙上将承受较大的电压降，因而引起气隙放电，见图3中曲线b。施工过程中严格控制斜边垫块的安装质量，消除垫块与线棒表面的小间隙，垫块绑扎前应全面检查垫块安装质量，确保消除存在的间隙，正常安装较难消除部位可通过填充绝缘腻子消除。另外斜边垫块安装部位不同绕组电位不同，垫块与线棒间间隙对电晕及放电影响程度不同，部分垫块安装在同相线棒间电位差较小有间隙也不一定放电，部分垫块安装在异相线棒间电位差较大少数接近额定电压，间隙的存在必然导致电晕放电。因此施工中必须加强绕组电压分布较高部位间隙的处理。

图3为斜边垫块与绝缘层之间有气隙时的电容器结构及其电场分布示意图。

图3　

图4为斜边垫块外侧表面与绝缘层表面接触处的电场。

图4　

3）线棒间斜边垫块外侧绑带存在褶皱、尖角、毛刺。当2个导体之间有斜边垫块，而且在斜边垫块与绝缘层之间没有气隙时，则在斜边垫块外侧表面与绝缘层表面接触处发生电场集中，很容易发生放电，如图4所示α附近，当斜边垫块外侧表面电场集中处绑带存在褶皱、尖角、毛刺时，则更容易放电。

4）端箍与线棒间适形材料安装不当存在间隙尖角毛刺。绕组端部电场是复杂的三维空间不均匀电场，由于线棒两端防晕结构，不同阻值的防晕层依次向端部延伸，使线棒槽口处电位梯度变小，电场强度降低，但防晕末端电压升高，场强集中，多段防晕梯度设计各防晕段搭接部位也容易电场集中。另外据线棒之间的电场的模拟和模型实测试验研究表明，线棒之间最大电场出现在线圈绝缘棱角的表面。再加之对两线棒之间的斜边电场起决定作用的是法向电场，其主要取决于2支线棒之间的电压差。发电机安装后端箍位于中高阻末端和高阻搭接位置附近，并且跨过线棒外侧棱角处，同时端部斜边段两换相线棒间电压差较高，电场强度较大，在如此复杂的电场区域存在间隙尖角和毛刺必然会导致局部放电或电晕。因此在施工中端箍位置间隙尖角毛刺的处理必须引起高度重视，另外端箍固定结构、安装工艺设计也应有所考虑。

5）线棒间尖角漆瘤等对电场的影响。在不同相线棒端部间隙之间承受着大部分线电压，间隙间电场强度较大，尖角毛刺的存在会恶化局部电场分布，超过起晕电压。在电晕试验时若使用紫外线成像仪则很容易观察到电晕现象，在耐压试验中则肉眼就能观察到。

2.2.3防止端部电晕、局部放电的措施

为防止端部槽口以外部位的电晕及放电，应采取如下措施：①定子绕组在设计制造时应充分考虑制造公差、现场施工工艺等对端部斜边间隙影响，斜边间隙的设计应留有足够的裕度。②绕组与端箍、绕组与槽口垫块、绕组与斜边垫块之间，绕组固定点与线棒表面接触处，应填充适形材料，确保固化后密实无间隙；绕组与垫块接触处平稳过渡，消除尖角毛刺。③高压区域如电压较高的换相线棒之间、绕组首端引线等部位细小的玻璃纤维和小气隙是电晕的进一步原因，应特别关注。④绕组端部手包绝缘位置，应充分考虑手包绝缘工艺对端部斜边间隙的影响。⑤安装过程中严格控制线棒间斜边间隙的调整，确保间隙大于设计间隙，在平均间隙附近。⑥下层线棒与端箍之间绑带、斜边垫块与线棒之间绑带，应充分贴合避免与线棒绝缘表面之间形成间隙，绑带收尾处理、绑带边缘避免尖角毛刺产生。⑦端部整体防晕，按设计要求喷涂防晕材料，且覆盖完整无遗漏。⑧采用耐电晕的适形材料，填塞端部斜边及固定件间间隙，以防止端部异相间及固定件间电晕。

3定子绕组端部电晕处理

在澜沧江流域某电厂2种发电机的电晕处理中，除施工工艺加以改善外，还更改了绕组接线。绕组接线更改后运行中电压分布改善，但电晕试验时电压分布不变，因此通过电晕试验结果可客观反映出改善施工工艺对发电机端部电晕的改善效果。本文以1号发电机和2号发电机处理为例进行说明。1号发电机拆除定子绕组重新下线，在施工过程中对端部固定结构工艺进行改进和完善。2号发电机端部结构局部拆除，施工过程中在原有结构工艺基础上进行改进和完善。

3.1处理措施及效果对比

1号发电机处理措施如下：①下线过程中强化端部间隙调整，尤其是电压差较大的换相线棒之间斜边间隙，嵌线过程中除检查端头处高差、径向、周向偏差外还应控制斜边间隙大小，原则上不得小于设计间隙的12 mm。②端部斜边垫块安装时，线棒和垫块之间适形毡现场裁剪充分考虑安装时的拉升变形，且在浸渍的防晕材料半干时安装，斜边垫块绑扎时收尾采用胶粘结方式。③端箍改用适形更好的绝缘软端箍，绑扎固定后再注胶固化，充分消除端箍和线棒之间间隙。端箍绑扎时进行拦腰绑扎，使绑带与绝缘表面贴服。④斜边垫块、槽口垫块以及端箍绑扎时，对绑带无法贴合有间隙的地方用绝缘材料和腻子进行填塞消除间隙。⑤引线部位手包绝缘未固化前用毛玻璃或环氧板压平，确保与相邻线棒间距离。⑥喷涂防晕漆前对端部所有尖角、毛刺，线棒绝缘表面绑扎时遗留的胶瘤等进行打磨、清理，包括绑带、适形材料的表面、绑带边缘等。⑦防晕漆均匀喷涂2遍、确保整个端部按防晕要求完全覆盖，包含上下层之间、斜边垫块、端箍等部位无遗漏，防晕漆干后对喷漆时产生的滴挂等进行清理。

由于2号发电机线棒未拆除，只能在原工艺的基础上进行局部改善。2号发电机处理措施如下：①针对紫外成像仪和肉眼发现的电晕点、毛刺、尖角位置进行清洁并打磨到防晕层，之后重新覆盖防晕材料。②斜边垫块部位存在严重间隙、绑带翘卷部位拆除垫块周围的玻璃丝带，存在的间隙用绝缘腻子填充并重新包扎，绑带收尾采用粘结方式。③线棒与端箍间电晕放电点打磨清洁，间隙较大处用聚酯毡浸渍防晕树脂填塞、其余部位用腻子填充；处理过部位涂刷防晕漆2遍，处理过的电晕点涂刷表面漆1遍。④绕组引线手包绝缘部位采用套绝缘盒灌注方式，充分保证了周围间隙。⑤上、下端部相间线棒全部增加斜边垫块；整个端部绕组喷涂防晕漆2遍；表面覆盖漆1遍。

处理效果对比如表1。

表1　电晕处理结果对比

3.2总结分析

通过比较分析，改造后电晕试验紫外成像检测结果与2号机比较1号机效果较好。主要原因是1号机改造更彻底对绕组端部施工工艺控制到位，2号机改造未拆除重下线，而是在原基础上对施工工艺进行改善，部分措施无法实施。如斜边间隙调整、层间及下层线棒尖角毛刺间隙处理等。改造完成后2台机运行电压下端部电位分布均得到了很好的改善，通过运行1年后对2号机检查结果看效果较好，除少数个别工艺较难改善的点外，其余长期运行电压下产生的电晕电腐蚀、局部放点已消除。而1号发电机运行至今端部未发现异常。

4结语

电机的防晕主要是线棒槽部对槽壁不放电，线圈端部不发生电晕，出厂前单只线棒起晕电压达到或超过标准指标，安装后满足1.1 UN电晕试验不起晕，更要满足长期运行电压下防晕性能可靠，不发生局部放电、电晕电腐蚀现象。从电晕处理经验看，无论是改善施工工艺还是改善运行电压分布，单从一方面着手很难彻底解决电晕问题，但无论设计、施工哪一方面出问题均可能导致电晕。电机绕组运行电压分布均匀是相对的，无论电机绕组接线如何设计，都存在异相线棒和同相线棒、绕组首端和尾端、双层绕组上下层之间异相线棒等电压差较大的地方。安装工艺要求越高，施工难度就越大，指望过高的工艺要求解决电晕也不现实，解决高压电机电晕问题仍需从设计、制造、安装、检修维护各阶段多方面考虑、综合治理。

参考文献：

[1]路长柏，麻森，汤碧荣.大型电机端部电场的试验研究[J].哈尔滨电工学院学报，1982（2）.

[2]孙永鑫，满宇光，张伟.高海拔条件下定子线棒的防晕设计研究[J].大电机技术，2014（7）.

[3]苏其荣.高压电机整机电晕（摘要）[J].绝缘材料通讯，1983 （Z1）.

[4]STONE G C，等.旋转电机的绝缘-设计、评估、老化、试验、修理[M].北京：中国电力出版社，2011.

[5]高乃奎，成永红.电气电子绝缘技术手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

作者简介：杨增杰（1982-），男，工程师，从事水电厂电气一次设备检修工作。

收稿日期：2015-11-09

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.009

中图分类号：TM303

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）03-0024-05