山西万家寨引黄工程泵站电动机组定子绕组电晕腐蚀成因及处理方法研究

韩 晶

（山西万家寨水控水资源有限公司 山西太原 030012）

1 项目研究背景

山西省万家寨引黄入晋工程是为解决山西中部及西北地区工农业及居民生活用水而兴建的大型跨流域调水工程，工程由总干线、南干线、联接段和北干线等组成，输水线路全长504 km，包括隧洞和PCCP管线。沿输水线路布置有提水泵站、渡槽、埋涵、闸阀室、水库及配套的变电站、输电线路、通信专网等机电、电力、通信、自动化及水工设施。

工程设计年引水规模12 亿m3，南干线6.4 亿m3，北干线5.6 亿m3。工程运行的核心是总干、南干线五座梯级泵站，设计总装水泵电动机组42 台，总干线三座泵站各装机10 台，南干线两泵站各装机6 台，单台泵组设计流量均为6.45 m3/s，除总三泵站泵组容量为6 500 kW，其余各泵站泵组容量均为12 000 kW。目前，五座泵站已安装泵组23 台，其中总干线三座泵站各安装5 台，设计工况“四用一备”，引水流量25.8 m3/s，年输水能力6.16 亿m3；南干线两泵站各安装4 台，设计工况“三用一备”，引水流量19.35 m3/s，年输水能力5.01 亿m3。

工程自2003年投入试运行，至2020年已累计运行17年。在2020年度机组大修过程中，南干二级泵站6 号机组电动机转子吊出后，检查定子时发现定子绕组绝缘层存在颜色变白现象。经哈尔滨电气动力装备有限公司和东方电气（德阳）电动机技术有限责任公司技术人员现场检查判定，白色斑片是由于电晕腐蚀造成的，发现上下层线圈槽口处电晕腐蚀严重的部位11 处、上下层线圈交叉点腐蚀明显的部位10 处以上，且线圈槽口电晕腐蚀严重部位已形成不规则小凹坑，低阻防晕层也已被完全腐蚀掉，上下层线圈交叉部位表层绝缘也已被腐蚀掉，出现白色粉末。在随后进行大修拆解的其他机组（总三泵站1 号机和3 号机、总二泵站9 号机）中也发现类似情况，情况要好于南二泵站6 号机组,电晕腐蚀实际状况见图1。

图1 产生电晕腐蚀的绕组

为确保机组的安全稳定运行，与东方电气（德阳）电动机技术有限责任公司合作，对引黄一期工程电动机组定子绕组电晕腐蚀问题进行专题研究，主要解决以下问题：

1）引黄工程高压电动机组定子绕组电晕腐蚀成因，以确定电晕腐蚀产生是寿命到期还是设计、加工、材料等其它原因，为今后电动机安全稳定运行提供指导。

2）探索定子绕组电晕腐蚀处理现场处理方法，为一期其它14 台机组提供可借鉴处理方案，以降低生产运行成本，提高电动机可靠性。

3）引黄一期工程电动机组为日本东芝公司生产制造，总共15 台，如发生电晕腐蚀情况严重到无法采取局部处理手段消除隐患的，需进行整体更新。

2 技术原理、技术方案与技术路线

电晕，指的是高电压使周围空气产生电离，而当电压梯度超过一定的临界值时，在导体表面和它的附近出现的紫蓝色辉光的放电现象。电晕，即气隙放电时，部分电场能量转变成光、声、热、电磁等被散发出来，引起以下效应及危害：

1）热效应：局部温度升高，绝缘变质、碳化、股线绝缘和云母变白，股线松散、短路，绝缘老化。

2）机械损坏：气隙内气体放电属于高压辉光放电，其中存在大量的带电粒子“电子和正负离子”，这些离子以高能量和高速度碰撞气隙壁，造成绝缘层机械强度降低、局部放电区域的绝缘发现麻点、麻坑，甚至孔眼，边缘如蚕蚀。

3）化学损坏：气体局部放电产生臭氧，其化学性质很不稳定，与氮化合生成氧化氮，再与水蒸气反应生成硝酸，腐蚀绝缘，若局部放电发生在导线和绝缘界面，硝酸与导线作用生成硝酸铜。

造成电晕的主要因素包括：

1）海拔。随着海拔越高，空气越稀薄，则起晕放电电压越低。引黄南干二级泵站厂房处于海拔1 418 m，属高海拔地区，对电晕的发生会产生较大影响，通过对电机的检查，在电机的设计和制造环节均对防电晕采取了一定措施。

2）湿度。6 号机机坑内装有电加热器，停机后投入进行除潮。停机检查并未发现潮气和湿度大的现象。

3）温度。起晕电压随温度升高而下降。该电动机冷却方式为：密封空气循环水冷却连续工作。经过查看6 号机近半年的运行记录，状态温度普遍处在63℃～75℃。定子绝缘等级为F 级，最高耐受温度是155℃，运行中的电动机槽线棒的温度不足于造成电晕腐蚀。

4）电位和电场。从现场测量结果看，6 号电机线圈低电阻防晕层伸出长度短，高电阻防晕层与低电阻防晕层搭接处（高电位）距离铁芯压指（零电位）近，导致此区域电场集中且分布不均，从而产生电晕腐蚀。同时不排除线圈高电阻防晕层与低电阻防晕层搭接接触不良，导致电场分布不均，而引起电晕腐蚀。

5）线棒存在缺陷。线棒表面防晕层和线棒主绝缘之间粘接接触不好，存在着微小空气气隙，由于在高电场内主绝缘与防晕层之间存在电位差，造成气隙放电。

对6 号机组现场检查发现，高电阻防晕层末端长度正好在转角处，上下层线圈交叉点正处于高电阻防晕层末端，高电阻防晕层长度短，且上下层线圈在此处距离较近（实测2～3 mm），从而在线圈端部转角处引起电晕腐蚀。同时，不排除在安装时未按工艺要求将尖角及毛刺做修整处理，未将异物清理干净的因素。

综上分析可以得出：温度、湿度原因可以排除。电位高是产生电晕腐蚀的主要原因，但从线棒电场分布上看，相对高电位和低电位是无法避免的问题。虽然电动机的设计和制造考虑了高海拔的影响，进行了防电晕设计及措施。但由于定子线圈绝缘设计或定子线圈防晕工艺措施由于生产年代的局限而导致存在一定问题，因此，线棒的内部缺陷以及制造间隙是发生电晕腐蚀的主要原因，可以通过改善线棒的加工工艺以及端部绝缘和防晕处理，削弱或避免电晕腐蚀的危害程度。

通过现场检查，此机组油污较多，在端部挡风罩可见一层积油，由此分析油污染也可能加剧电晕现象，应尽量防止电机内产生油雾。

3 实验过程和结果

3.1 现场处理方案

1）对于总三泵站1 号机和3 号机、总二泵站9 号机电晕腐蚀较轻的情况，采取了局部处理的方案，具体做法如下：

（1）清理清洁。用丙酮或酒精清理干净定子绕组需处理部位的油污及放电产物,清洁后在室温下晾干30 min 及以上。

（2）修复。使用适当形状的毛毡浸渍室温固化环氧胶后，将上下层间放电处填实,并用无碱玻璃纤维带包扎固定,避免杂质再次聚集和加强该处介电强度。

表面干燥不粘手后，在毛毡周围用小刷子蘸室温固化环氧胶进行涂刷，改善毛毡表面毛刺及毛毡与线棒之间的小间隙。

（3）固化处理完成后，室温固化环氧胶DECJ1403在室温下晾干不少于24 h。

2）对于电晕腐蚀损伤严重的南二泵站6 号机组，东方电机技术人员对其进行测量、计算，提出设计改进意见，并对国内大型电机制造企业的生产工艺水平进行评估，认为完全具备国产化替代的可行性，因此决定采取整体更换定子绕组来彻底处理。

3.2 实验结果

1）2020年9月10日至15日，东方电机技术人员对引黄工程总二泵站9 号机组和总三泵站1 号、3 号机组定子端部上下层及槽口处共计26 处电晕腐蚀故障进行了绝缘修补处理，经1.5 kV 耐压试验后产品合格，经72 h 试运行，设备正常，处理结果见图2。

图2 电晕腐蚀的局部修复图

2）2020年11月1日，东方电机技术有限公司将南二泵站6 号机组定子整体运输至该公司生产车间，进行定子整体更新，按照设计工艺及技术要求，完成绕组测量、线棒拆除、清洗、下线、浸漆、测试等工艺环节，2月9日运抵南二泵站现场，2月25日开始回装，4月6日完成各项试验，4月15日至18日进行72 h试运行，一切正常，机组各项指标符合设计及合同要求，整体更新效果见图3。

图3 整体更新的定子绕组

4 技术综合分析

通过对南二泵站6 号机组定子绕组电晕腐蚀产生的原因分析，按照部位、成因以及严重程度采取不同的针对性处理方案，较好地处理了电晕腐蚀问题，同时为一期其余11台机组的后续运行提供了借鉴和预警。今后应从以下方面加以注意并采取有效措施及时发现和处理：

1）对于不同的电晕情况，据电晕的形成机理进行分析，采用可行的针对性方案消除电晕，恢复定子线棒的绝缘水平。

2）引黄工程一期机组全部达到20年设计运行年限，电晕腐蚀情况将会陆续产生，应按照规程要求，及时进行大修，在大修过程中注意清洗绕组表面，仔细排查电晕腐蚀发生的可能部位，早发现、早处理，尽量采用局部处理方案将缺陷消除在早期。

3）评估发电机内部脏污情况，及时开展对发电机内部的清扫工作，是防止电晕的有效手段。对于一期机组采用的油雾收集器老化导致油雾回收功能弱化情况，可采取技改更新方式，以改善电动机运行环境，降低电晕产生的可能。

4）在今后新的机组定子线棒设计和下线安装阶段，应加强绝缘设计，改善防晕加工工艺，消除毛刺、减小间隙，严格避免线棒的内在缺陷。

5）可采取有效技术手段，加强机组在线局放监测，发现问题，及早处理。

5 结语

万家寨引黄工程泵站电动机定子绕组电晕腐蚀现象是一个比较普遍的问题，应引起各级生产人员的高度重视，加强日常运行监视，提高设备检修维护水平，改善设备健康状况，尽量延长设备寿命期，以提高设备运行的经济性。