大型水轮发电机定子线棒电晕现象的思考

马志忠

（三峡机电工程技术有限公司，四川 成都610040）

1 某电站电晕现象

某大型水电站右岸4台机组定子绕组为双层条式波绕组，采用7支路并联“Y”形连接，绕组电接头采用焊接连接方式。中性点经接地变压器接地，定子绕组采用全风冷冷却方式。发电机主要技术参数见表1。

表1 发电机主要技术参数

检修期间，发现某发电机定子线棒有多处油漆开裂及脱落，在斜边垫块处及出槽口部位发现有大量深褐色油迹附着、线棒或者垫块表面连续贯通性灼伤痕迹、面漆粉化呈灰白色、面漆碳化呈黑色、空穴内环氧胶或腻子粉化等电晕现象，仔细检查后发现上层线棒有215处，下层线棒有20处，共计235处。

2 电晕处理

发现以上现象后，随即对其进行了处理，处理工艺如下。

（1）拆除玻璃丝带

如图1所示，使用小号一字螺丝刀、小号木榔头、环氧板等工具，按照先1后2的顺序进行切割，切口与线棒表面距离约为2～4 mm。禁止使用美工刀、铁榔头等工器具剥除玻璃丝带。

图1 玻璃丝带拆除示意图

（2）拆除垫块

如图2所示，两侧用环氧板防护，内侧用棉布衬垫，然后用马刀锯沿深色矩形条指示部位切割，马刀锯配合垫木使用，最后用环氧板剥离。

（3）绝缘破口处理

图2 垫块拆除示意图

如图3所示，在位置1和2处用小号一字螺丝刀配合木榔头剥离面漆、底漆，位置1剥离宽度5～10mm，位置2剥离宽度3～5 mm；操作中榔头敲击要轻，螺丝刀要稳，线棒与螺丝刀夹角不得＞60°。

图3 坡口制作示意图

（4）绝缘表面打磨

打磨前用棉布将相邻线棒周围塞实，开启吸尘器。先用直磨机粗磨，去除表面毛刺、尖角，然后用直磨机将底漆面漆形成的断口打磨光滑形成分界面坡口，最后用砂带打磨边、角等隐蔽位置。打磨过程要保护好原有防晕层。

（5）补刷防晕漆（LL16）

防晕漆要严格按照配比进行配制，且分批进行。配制时要充分搅拌，直至无颗粒状。涂刷厚度要＞50 μm，涂刷完要充分固化后才可以进行下一工序。

（6）垫块安装

严格按照要求配制半导体树脂（EP274）。将垫块用大小刚好且充分浸渍EP274的毛毡包裹住，并确保与垫块四边平齐。线棒间隙清理干净后，将包裹毛毡的垫块插入线棒间隙，需使垫块外边沿与线棒外边沿平齐且与相邻垫块等高，用手轻摇无松动。EP274固化前，工停场清，用塑料膜做好防尘。

（7）垫块绑扎

毛毡内半导体树脂（EP274）固化后进行垫块绑扎。绑扎起始方向为切向，第一层应尽量重叠压住端头，随后半叠包，必要时使用穿针辅助引线，切向4层，径向3层；绑扎带尾部压在已拉紧的扎带下面，并用胶水固定（扎带尾部不打结），在纵向方向上缠绕在间隔垫块周围的玻璃丝带应当平包在线棒上，避免在拐角时产生沟槽。

（8）涂刷环氧树脂（EP181）

严格按照配比要求配制环氧树脂（EP181）。涂刷前用棉布等吸水能力较强的材料对线棒端部进行防护，用透明胶带对防晕漆进行保护，涂刷时要保证胶体涂刷均匀，无漏刷，绑带浸渍充分。刷胶分3～5次进行，每次间隔2 min，刷胶与清理同步进行。充分固化后，方可进行下一道工序。

（9）空穴灌注EP181

待玻璃丝带涂刷胶完全固化后灌注EP181，用绝缘封口腻子HDJ-18封堵垫块下底面四角缝隙，用注射器从垫块上底面四个角的空隙注入EP181，缓慢灌注，直至胶体少许溢出，连续操作3次，每次配胶量要适宜。

（10）表面打磨

先用直磨机对表面轻微打磨，去除毛刺、尖角，再用砂带打磨边、角，最后清理滴挂、覆盖在防晕漆表面的EP181。打磨过程中，开启工业吸尘器除尘。

（11）涂刷防晕漆

防晕漆要严格按照配比要求进行配制，涂刷厚度＞50 μm（肉眼不可见底色），空气中干燥后为深黑粗糙的涂层（部分批次为灰色），涂刷要使漆膜均匀，无滴挂、无流淌、无遗漏。并用砂布打磨固化后出现的漆瘤、毛刺。

（12）涂刷油漆（GK128）

严格按照配制要求配制油漆（GK128），涂刷厚度≥30 μm，空气中干燥后为暗淡粗糙的涂层。

（13）涂刷油漆（DK222）

要严格按照配制要求配制油漆（DK222），涂层厚度≥30 μm，空气中干燥后为光滑涂层，如图4所示。

以上为这次现象的处理过程，基于此，以下从电晕影响因素及形成机理和防晕现状等多个方面进行探讨概括。

3 电晕产生的机理

发电机定子电晕的产生和严重程度主要与机组海拔高度、环境温度、环境湿度、电机定子线棒表面清洁度等因素有关[3]。下面简要分析槽部电晕和端部电晕的产生机理。

图4 涂刷DK222效果

（1）槽部电晕

在大型水轮发电机定子槽部直线段处，线棒与槽壁间存在空气间隙。这使得具有零电位的铁心和具有高电位的线棒之间既存在固体绝缘层，又存在薄层空气隙，这两种介质相互串联，在高压下电机槽部介电系数较小的空气隙中的电场更强，而空气的耐电强度却比线棒绝缘层低，因此高压机组在长期运行情况下槽部薄层空气隙极易发生电晕现象[4-5]。

接下来讨论一下电晕电压和薄层空气隙厚度的关系。定子槽部直线段处的平面部分可近似地看成平行平板电容器。设d1为绝缘层的厚度、dg为薄层空气隙厚度，绝缘层相对介电常数ε1≈5，空气隙相对介电常数εg≈1，U1为绝缘层电压，Ug为空气隙电压，空气隙场强为Eg。按电场计算原理，在额定工作相电压下空气隙中所分到的场强的峰值公式的推导如下：

电压Un与环氧粉云母绝缘厚度d的关系可近似的表示为：

由（1）和（2）以及Eg=Ug/dg可得

由巴申定律可知，空气隙的击穿场强与气隙的厚度有关。若将巴申曲线中不同空气隙厚度时对应的击穿场强当作Eg分别代入公式3，就可得知定子线棒绝缘在额定线电压Un下开始发生局部放电的空气隙厚度dg，如图5所示。

图5 不同额定电压Un下发生击穿的气隙厚度

由图5可见最易放电的气隙厚度dg是0.25～0.5 mm，这是因为当气隙更厚时，分布在气隙上的场强值降低较多，而当气隙更薄时，气体的击穿场强上升较快，这些都会使整个绝缘结构的电晕电压提高。而且还可知，发电机的额定线电压达到6 kV或更高就可能发生电晕[6]。

（2）端部电晕

绕组端部电晕往往比槽部电晕更严重。从线棒出槽拐点开始到线棒端部斜边这一部分的外表面没有接地，就像一极没有连接的电容器，所以在发电机端部出槽口处，因为其既存在电场沿绝缘表面的垂线分量，又存在电场的切线分量，电场分布很不均匀。如图6和7所示，由于线棒端部体积电容Cv的分布作用，导致电容电流分布也不均匀，越接近槽口，端部电流I越大。若ρ1=ρ2=ρ3……，I1=I2=I3……，那么ρ1上的电压降Δu1显然要比远离槽口的电阻上的压降大，所以越靠近槽口，电压降越大，电场强度越高，这里的气隙就越容易发生电晕现象[4-6]。

图6 线棒端部电流I的流向

图7 等值电路

由以上分析，可知定子线棒出槽口电场相对集中是端部电晕的根源所在。因此如果能够使此区域的电场均匀化，那么电晕现象就可以得到有效抑制。而降低定子线棒表面电阻率可以降低线棒出槽口处电场强度。因此，如果防晕材料和结构合理，那么就可以大大减少定子线棒电晕现象。

4 线棒防晕现状

目前，我国水电机组单机容量已经发展为100万kV（世界最大），引领着世界水电的建设，而机组防晕的难度越来越大。大型水电机组定子线棒绝缘结构有2种：①多胶模压绝缘，②少胶真空压力浸漆（Vacuum Pressure Impregnation，VPI）绝缘[8]。20世纪90年代以前国内使用的主要绝缘结构是多胶模压绝缘结构，90年代后VPI防晕结构开始进入国内市场并快速发展为主流防晕技术。如图8所示，VPI绝缘体系主要包括少胶云母带、浸渍漆和防晕材料。就是线棒进行连续包绕少胶云母带以后，在浸漆罐内通过加热并抽真空将线棒绝缘层间空气抽离，并将无溶剂F级浸渍树脂注入绝缘层，取出后再置于水轮发电机定子线棒VPI压模模具中高温固化，以保证线棒绝缘成为一个整体。采用这种技术生产能够保证防晕层阻值不受主绝缘及浸渍胶的影响，而且生产效率高，防晕层的材料也不会污染主绝缘及浸渍胶，绝缘整体性能好，有效减少了发电机电晕放电现象。

图8 国内某水电站线棒端部VPI防晕结构图

槽部和端部这2个部位的防晕是线棒防晕的重点。线棒槽部防晕是将低阻漆涂喷在线棒直线段和铁心槽表面，或者将含碳黑和石墨的低阻防晕带包扎在线棒直线段的表面，形成完整的低电阻防晕[7]，线棒直线段防晕长度比定子铁心槽长度略长。线棒端部防晕材料采用的是高阻防晕带或高阻防晕漆。

线棒槽部低阻防晕区和线棒端部高阻防晕区之间有一搭接区，而此区域的防晕系统是最关键的。不同的线棒生产厂家在槽部低阻防晕区的结构差别很小，但是在端部高阻防晕区的结构就有明显差别。目前，高阻防晕结构有以下几种形式：①利用碳化硅的非线性特点采用单级防晕或多级防晕结构；②使用多种防晕漆的多级结构；③从低阻/高阻搭接区至线棒电接头全部利用高阻防晕结构等[2]。

5 结语

文中列举的某大型水电站机组的电晕主要由斜边垫块绑扎工艺、运行工况及其环境污染造成，经处理后能有效减轻该机组定子端部电晕的产生。众多参考文献均表明造成电晕的主要原因是“发空”，包括垫块、端部高阻与低阻搭接部位，线棒内部等部位“发空”，而这与线棒的设计、制造工艺、安装工艺以及运行条件都有直接关系。而探讨电晕影响因素、产生的机理以及防晕结构有助于对产生的电晕进行原因分析和及时处理，避免事故的发生。虽然目前的电晕防治技术还不能根除电晕现象，但随着社会科技的发展，相信未来终将会有新的突破。