大型水轮发电机定子线棒电晕原因分析及处理

何 强，任 波，杨 烽，韩尊占，黄晓东

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某大型电站发电机额定容量为777.8 MVA，额定电压为20 kV，发电机定子绕组为三相双层波绕组，每相5 支路并联，发电机中性点采用经接地变的高电阻方式接地。该电站16F 发电机在机组检修期间发现定子线棒端部存在发黑、发白现象，经检查评估后确认该现象是由轻微电晕引起的。

发电机定子线棒电晕是由于线棒绝缘表面某些部位电场分布不均匀，局部场强过强，导致附近空气电离，而引起的辉光放电[1]。线棒电晕产生与线棒制作工艺、运行环境、运行电压等因素有关。线棒产生电晕后，会对绝缘慢慢进行侵蚀，如果不及时处理，最终会引起发电机绝缘故障。发电机绝缘故障是造成发电机故障的主要原因之一，绝缘系统的健康状况直接关系到发电机是否能够安全可靠的运行[2]。

1 概述

电晕是极不均匀的电场分布造成的放电现象，在局部场强过强时，由于空气的击穿场强（3 kV/mm）低于发电机定子线棒绝缘材料的击穿场强，使空气发生电离，电晕的放电强度虽然不是很高，但如果不及时处理，会逐渐降低绝缘材料的性能。电晕还使其周围产生带电离子，各种不利因数的叠加，一旦定子绕组出现过电压，就有造成线棒击穿的可能[3]。

在16F 发电机内部检查过程中，发现定子线棒上、下端部出槽口与铁心压指平行处存在多处疑似电晕痕迹，防晕层表面油漆出现发黑、发白现象，电晕图片如图1 所示，电晕统计如表1 所示。

表1 电晕统计表

图1 电晕图片

2 原因分析

2.1 定子线棒绝缘材料

发电机定子线棒主绝缘主要由浸渍树脂、云母带、促进剂组成，其中浸渍树脂采用纯环氧-酸酐浸渍树脂，云母带主要包括云母、补强材料和粘接剂，促进剂的加入延长了浸渍树脂的贮存和使用寿命[4]。

2.2 定子线棒防晕结构

发电机定子线棒的绝缘系统采用的是单只线棒VPI 绝缘系统，生产工艺为线棒浸渍后进行模压固化[4]。线棒的槽内固定使用了导电槽衬结构，线棒直线段采用低阻防晕带和低阻防晕漆，端部防晕结构使用多级防晕结构[5]，如图2 所示，1 为低电阻防晕层，2 为第一级高电阻防晕层，3 为第二级高电阻防晕层，4 为第三级高电阻防晕层，5 为防晕保护层，6 为覆盖漆。

图2 线棒防晕结构图

2.3 定子线棒电晕原因分析

在发电机定子线棒槽口、定子铁心通风沟边缘及定子线棒槽壁间隙处，线棒绝缘表面的电场分布是不均匀的，当以上部位局部电场强度达到临界场强时，附近气体的带电离子发生局部游离而产生电晕。电晕放电时会产生臭氧，臭氧与空气中的氮气结合生产硝酸根，硝酸根外在的表现形式为白色粉末，附着在线棒的表面，即检查时所发现的白色粉末。根据电晕检查结果表1 中的数据进行分析，电晕形成原因主要分为以下几个方面。

2.3.1 高低阻搭接不良

高低阻搭接部位是一个电气连接区域，容性电流会流过该部位，如图3 所示，如果高低阻搭接不良，搭接区域就会产生一个连接电阻R，在电流作用下产生额外的I2R损耗，形成一个局部热区。升高的温度借助氧化过程进一步增加电阻值，使得部分搭接区域不再具备导电性，在半导体覆层末端的高电场强度作用下发生局部放电，形成电晕。

图3 主绝缘电容模型

从检查结果分析，部分槽电晕均位于定子线棒出槽口高度约与压指等高位置，为高低阻搭接过渡段，发生在高低阻搭接部位数量占总数80%以上，高低阻搭接区电晕在运行电位大于9 kV 以上的线棒占比超过70%，说明运行电位较高的线棒其高低阻搭接区更容易产生电晕。

2.3.2 高电位运行

在16F 发电机定子线棒电晕统计中，出现电晕的点其运行电位超过9 kV 的数量占比为73.4%，较高运行电位会在出槽口部位形成更高的感应电压和场强，更容易产生电晕。

2.3.3 出槽口部位脏污

当机组在运行过程中出槽口部位积累油污和粉尘时，使绕组表面电阻率下降，改变绕组表面场强的分布，绕组表面的等电位线方向会偏离原来方向，局部的表面电位差会变大，使端部电场产生畸变，加剧电晕发生[6]。

2.3.4 线棒生产工艺离散性

16F 发电机定子线棒中已有94 支存在电晕现象，占总数的9%，考虑到现场线棒运行环境的基本一致，只有少数线棒存在电晕现象，说明线棒生产工艺存在离散性。

3 发电机定子线棒电晕处理措施

发电机定子线棒电晕处理流程如图4 所示。

图4 线棒电晕处理流程

3.1 线棒修复前起晕试验

在对线棒电晕进行处理前，测量定子绕组的绝缘电阻和吸收比，然后进行起晕试验，逐步缓慢升高至额定相电压，停留1 min 并观察，然后按照每级1 kV 分阶段加压，每阶段持续时间为1 min，逐步加压至1.1 UN，采用暗室目测法和使用紫外成像仪观察发电机定子绕组端部电晕情况。

3.2 低阻段修复部位清理及防护

着重清理层间和槽口垫块处脏污，擦拭阶梯片清理部位、出槽口部位，电晕痕迹清理干净后刮去表面红瓷漆。修复部位清理干净后用纸胶带三面包绕。

3.3 低阻段刷包

采用半叠包方式，边包边刷低阻漆，空间限制区域不便刷包时，可涂刷低阻漆，需将线棒4 个面均刷到。低阻漆刷包完成后，再在低阻段刷包层表面涂刷低阻漆，使低阻段表面整洁、平实，刷包或涂刷均匀、无气泡、无遗漏，首末端整齐并与线棒轴向垂直，低阻区涂刷必须可靠搭接线棒原有低阻漆、槽衬纸及定子铁心三个部位，确保可靠导通。

3.4 高阻段修复

低阻段刷包室温下晾干24 h 后，高阻段刷包也是采用边刷包边刷高阻漆工艺，半叠包刷包一层，刷包完成后，再用高阻漆在刷包层表面涂刷，确保高阻段表面整洁、平实、无气泡、无遗漏。刷包完成后室温下晾干24 h。

3.5 线棒端部修复面红瓷漆涂刷

用无碱玻璃纤维带附着红瓷漆涂刷高阻刷包部靠近下层线棒面及两个侧面，涂刷完成后拆除低阻段防护纸胶带，再涂刷低阻段，低阻段涂刷时需水平涂刷，防止低阻漆颗粒污染高阻段。涂刷完成后在室温下晾干48 h 及以上，晾干后拆除下层线棒防护纸胶带。

3.6 线棒修复后起晕试验

起晕试验加压至1.1 UN后，继续缓慢升压至1.5 UN进行交流耐压试验，停留1 min。全程重点观察记录修复后各线棒起晕情况，通过紫外成像仪观察各修复线棒光子数，以验证修复效果。耐压完成后测量绝缘电阻和吸收比。

4 发电机定子线棒电晕评估

4.1 线棒解剖

为研究电晕是否会对线棒绝缘结构产生影响，结合现场实际情况，选择电晕现象明显、运行电位11.38 kV 的311 槽上层线棒进行解剖。

4.1.1 线棒外观检查

线棒拔出后，311 槽上层定子线棒槽部无放电痕迹，通风沟部位的填充腻子突出明显，导电腻子填充良好。电晕痕迹呈不规则的椭圆形，如图5 所示。根据线棒防晕结构，可判断电晕痕迹出现在第一级高阻首端，未发生在高低阻防晕层搭接区域。

图5 电晕痕迹图

4.1.2 清洁、砂磨、观察

使用酒精擦拭线棒电晕部位，白色斑痕消失，现出下层黑色斑痕，该黑色斑痕无法通过酒精擦拭去除。使用细砂纸砂磨黑色斑痕，黑色斑痕消失，在砂磨面与未砂磨面之间来回触摸，未发现明显台阶，整个表面仍平整，如图6 所示。将砂磨面扩大，对无电晕部位同样砂磨后，原黑色斑痕砂磨后的表面与无电晕痕迹表面砂磨后的外观一致、无色差。电晕痕迹仅存在于红瓷漆表层，电晕痕迹未穿透红瓷漆层。

图6 砂纸打磨前后线棒表面图

4.1.3 发空检查

使用金属小锤轻微敲击线棒电晕部位及其周围部位，包含附近的端部和槽部绝缘表面，电晕部位无发空声音且与对应的非电晕部位声音一致，电晕部位及其周围部位的防晕保护层、防晕层、主绝缘层无发空现象。

4.1.4 线棒绝缘及防晕结构检查

将线棒电晕面的两个棱边锉磨直至主绝缘表面，能够观察到防晕保护层、防晕层、主绝缘层之间密实、无分层，如图7 所示。沿锉磨后的棱边，剥离防晕保护层。剥离过程中，防晕保护层粘接良好，剥离困难。剥离的防晕保护层内表面未发现电晕痕迹、无电流烧蚀、变色痕迹，防晕保护层与防晕层无分层现象，线棒表面电晕未影响到下方的防晕保护层。

图7 剥离线棒防晕层

通过对线棒绝缘及防晕结构检查，311 槽线棒主绝缘、低电阻防晕层、高电阻防晕层、防晕保护层粘接良好，无分层，高低电阻防晕带搭接尺寸正常，电晕痕迹仅存在于线棒端部表面，未对下方的防晕层和主绝缘造成影响。

4.2 线棒运行评估

修复的线棒在经过一年多的运行后，处理部位外观良好，未发现黑斑和白斑，如图8 所示，可确认电晕修复方案是有效的。

图8 电晕修复后运行检查图

5 电晕检测和预防措施

5.1 电晕检测

电晕检测是发现发电机定子绕组绝缘问题的有效方法，在发电机检修时，可以通过暗室目测法结合紫外成像仪以及局放试验进行电晕检测。线棒电晕的产生通常伴随着局部放电，局部放电与定子绕组绝缘有着密切的关系，一旦发生局部放电，会加速绝缘劣化。在发电机正常运行时，通过安装发电机局部放电在线监测装置，对局部放电进行实时在线监测，是诊断线棒绝缘的有效方法[7]。

目前，每台发电机均安装了发电机局放在线监测装置，采集传感器安装在发电机中性点接地变柜内，能够实现对发电机局部放电进行实时、连续监测。

5.2 线棒电晕预防措施

电晕一旦产生，会对发电机定子线棒绝缘产生不利影响，主要分为线棒生产制造及安装过程中预防措施和机组运行过程中预防措施。

5.2.1 线棒生产制造及安装过程预防措施

为了解决电晕问题，在传统工艺如线棒匝间浸漆、匝间模压、对地绝缘的热模压、定子线棒的整体浸漆或真空压力浸漆等的基础上，主机厂还研究开发了新的防晕结构工艺和研制新型防晕材料，如端部防晕结构使用多级涂刷型防晕结构，采用一次成型防晕工艺，进一步提高防晕技术水平[8]。此外，还采取一些辅助措施来增强防晕能力。例如，为保证线棒与铁心接触良好，线棒表面不产生电晕，不对铁心放电，在定子绕组下线前将定子槽内壁涂以半导体漆，线棒用半导体槽衬纸包裹后下线，在线棒与槽壁、线棒与槽底间塞垫半导体层压板或在槽底加垫半导体浸渍涤纶毡等。

5.2.2 机组运行过程中预防措施

在机组运行过程中，发电机定子线棒端部会积累粉尘、油雾，这些粉尘、油雾会导致线棒电晕的产生，因此在发电机停机或检修时定期对定子端部进行清洗，可有效减少电晕的产生。此外，由于线棒下线时的离散性，部分出槽口的半导体槽衬纸未进行及时清理，也会导致放电，需及时剪去多余的半导体槽衬纸。

6 结语

发电机绝缘系统的健康状况直接关系到发电机是否能够安全可靠运行，电晕作为诊断发电机绝缘系统健康的重要指标，掌握线棒电晕产生的机理能提前预防电晕的产生，一旦线棒产生电晕，及时采取有效处理措施对电晕进行修复，能够及时避免发电机绝缘系统恶化，从而避免发电机故障，确保发电机安全稳定的运行。