高壓電機定子繞組的防暈結構研究

周　劍

摘要：從試驗入手，闡述了槽部防暈原理是使線圈槽部外表面和鐵芯槽部之間的氣隙短路以及端部妨暈原理是使槽口外線圈端部表面電位梯度盡量均勻。

關鍵詞：高壓電機；定子繞組；起暈電壓；防暈結構；防暈材料

中圖分類號：TB857

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)08-0279-02

1高壓電機繞組防暈原理

1.1檀部防暈原理

在生產(chǎn)中，為防止嵌入線圈時損傷主絕緣，線圈槽部寬度尺寸總比鐵芯槽寬度小0.3mm以上，因此，高壓電機定子繞組槽部外表面與鐵芯槽壁之間總有0.3mm以上間隙。當電機額定電壓在6kV及以上時，氣隙中最高場強高于空氣中不均勻電場下的起暈場強8.1kV／mm而產(chǎn)生電暈，形成電腐蝕，損傷主絕緣。為防止電腐蝕，繞組槽部需進行防暈處理。槽部防暈原理是使線圈槽部外表面和鐵芯槽壁之間的氣隙短路。

1.2端部防暈原理

防暈的原理是使槽口外線圈端部表面電位梯度盡量均勻。其方法是：①內屏法，在線圈槽口絕緣內部適當部位插入電極，以形成套管型結構，通過電容分壓原理來達到表面電位梯度均勻化。其缺點是工藝太復雜，而且要考慮主絕緣層在線棒成型時的收縮或應力，可能導致埋人的內屏電極起皺或開裂，引起新的電場集中甚至極間短路，使線棒成品率降低，因此較少采用。②線性電阻調節(jié)法，通過降低線圈端部的電場集中處的恒定表面電阻來達到電場均勻化。即在電場集中處涂電阻率不同的半導電漆，其缺點是起暈電壓不高，而且不大穩(wěn)定。③非線性電阻調節(jié)法以電阻具有非線性特性的碳化硅為基礎制作防暈材料。其電阻率能隨電場強度的增加而自動降低，因而能自動調節(jié)場強的分布，使端部表面場強的分布比較均勻。目前國內外均廣泛采用。

2高壓電機繞組槽部防暈方案

線圈槽部表面低電阻防暈層。目前有涂刷型和一次成型兩種。①涂刷型是在線圈槽部表面涂刷低電阻漆作為防暈層。涂刷長度為伸出槽口超過鐵芯壓齒10～50mm。漆膜要均勻、連續(xù)、平滑、附著力要強。這種結構一般用在額定電壓10.5kV及以下、額定容量100MW及以下的電機線圈上。⑦一次成形結構是用低電阻防暈帶包在主絕緣外，與主絕緣一起熱壓成形，低電阻防暈帶系數(shù)ps＝103～105Ωm。低電阻防暈帶有全固化低電阻防暈帶和半固化低電阻防暈帶。全固化低電阻防暈帶適用于少膠絕緣體系；半固化的低電阻防暈帶適用多膠絕緣體系。低電阻防暈層厚度在0.3mm以內。這種槽部防暈結構一般用在額定電壓高于10.5kV，額定容量大于100MW的電機繞組上。

嵌入線圈時，使線圈槽部表面與鐵芯槽壁間間隙短路的材料和結構，有下述幾種：①槽底、層間墊低電阻墊條，側邊間隙塞低電阻半導體板，額定電壓在10.5kV及以下，額定容量在100MW以內的電機，一般均用這種結構。⑦槽底、層間墊低電阻適形氈，側邊間隙塞低電阻半導體板。③槽底、層間墊低電阻半導體墊條，線棒槽部表面涂低電阻膠并包低電阻紙或布。④槽底、層間墊低電阻墊條，一側間隙塞低電阻波紋板。⑤槽底、層間蟄低電阻墊條，鐵芯槽一側側面相距500mm左右擴槽，嵌線圈時在擴槽處用低電阻斜楔楔緊。⑥槽底、層間墊低電阻墊條，線棒大面一側涂低電阻硅橡膠。⑦槽底、層間、楔下墊低電阻墊條一側間隙墊低電阻半導體板，另一側間隙塞低電阻阻波紋板。

3線圈端部整體防暈方案

從防暈結構上看，該方案最簡單。它是用有適當D0和口的防暈材料將每個線圈的全部端部加以覆蓋，甚至與端頭引線表面相連。全端部防暈層可以是一段或多段。防暈層在線棒表面上相互連成連續(xù)的整體。ALSTOM公司在三峽發(fā)電機定子線棒上就采用了這種方案，并且防暈層與線棒端頭引線相連。

4線圈端部出槽口局部防暈方案

4.1涂刷型防暈結構

用含碳化硅的高電阻防暈漆，涂刷或刷包在線圈低電阻防暈層末端延伸到線圈端部表面80～300mm長范圍內。高、低電阻防暈層搭接長度25～30mm，隨額定電壓的不同，涂刷層數(shù)和每層的涂刷長度有所不同。防暈漆p⁰一般在108～110Ωm左右，場強1～3kV／cm下的β一般在1.5左右。

4.2一次成形的防暈結構

線棒包完主絕緣及低電阻防暈層后。在低電阻防暈層末端延伸到線棒端部表面上，包繞150～300mm長的高電阻防暈帶，外面再包繞保護層，然后同主絕緣一起同化成型。對高電阻防暈帶的性能要求與高電阻防暈漆相同。線棒成型時，線棒主絕緣中的膠可能與防暈帶中的膠相互滲透，從而破壞了原來的防暈層結構，降低了防暈性能，因此該結構防暈參數(shù)較難控制，但這種結構的線棒在運行中的防暈性能相當穩(wěn)定。

上述兩種結構都可以是一段式或多段式，各段的pO和β要求相互配合，才能取得較好的防暈效果。一般靠近槽口的防暈段其p⁰較低，p較高，而遠離槽口的防暈段其p⁰較高，β較低。

5防暈結構的改進

5.1改進碳化硅粉料的穩(wěn)定性

現(xiàn)階段國內的SiC產(chǎn)品主要用作磨料和耐火材料，生產(chǎn)中使用的是天然礦物原料，組成波動大，加之生產(chǎn)工藝比較粗放，對SiC的電學性質不考核、不控制，使碳化硅的電學性能很難穩(wěn)定，各個碳化硅生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的碳化硅，其電學性能有很大的差別，即使同一廠家，各個批次生產(chǎn)的產(chǎn)品其性能也有較大差別。這一情況給電機防暈用碳化硅粉料的正常使用帶來許多困難。研制電阻率p⁰和非線性參數(shù)值處于特定數(shù)值范圍的、穩(wěn)定的電機防暈專用碳化硅粉料已迫在眉睫，并且要制訂相關質量標準和檢測方法。

5.2提高防暈層防暈性能的穩(wěn)定性

端部高電阻防暈層的碳化硅粉粒，在高場強下會產(chǎn)生場致發(fā)光，起暈電壓試驗時隨著額定電壓的提高，出現(xiàn)的場致發(fā)光現(xiàn)象，與電暈光的混淆甚至產(chǎn)生誤判，即以為線圈端部防暈結構沒有達到要求。研究了防暈層在電壓作用下出現(xiàn)非電暈的另類發(fā)光現(xiàn)象，驗證了其場致發(fā)光實質，這種光來自防暈層內部，而電暈光出現(xiàn)在線棒表面電場集中處的空氣中，因此覆蓋在該防暈層外的含氧化鐵的紅瓷漆或其他外屏蔽材料可以把場致發(fā)光遮蔽起來，但不會遮蔽電暈光。

6優(yōu)化防暈結構

端部多段防暈結構中參數(shù)有：各段長度、防暈材料的電阻率p⁰和非線性參數(shù)β等；內屏法防暈結構中各參數(shù)有：埋人電極離導體距離、離槽口距離、電極長度、電極數(shù)目等。各參數(shù)都應采用計算機進行優(yōu)化搭配，使端部電場分布更均勻化，使防暈結構末端的電位差低于空氣的起暈電壓，以確定不同電壓等級的最優(yōu)防暈結構。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，防暈結構的起暈電壓和閃絡電壓可得到大幅度提高，起暈電

壓均超過3.1Un。

7改進防暈結構的最新動態(tài)

7.1提高SiC涂料電阻特性的穩(wěn)定性

系統(tǒng)研究影響SiC材料電阻特性的因素及機理后發(fā)現(xiàn)：①SiC微粉中的金屬雜質離子和表面膠態(tài)SiO2含量、合成原料組成及合成溫度對SiC微粉電阻特性有較大影響，必須嚴格控制；②摻入β-SiC微粉可明顯改善α－SiC微粉電阻特性，是調控微粉電阻特性的有效手段；③漆基的品種和漆料比對涂層的穩(wěn)定性有重要影響，所用的漆應能添加較多的SiC微粉料，料漆比應盡可能大并遠離某一臨界料漆比(指料漆比增大時，料中顆粒開始相互接觸時的料漆比)值，才能使防暈涂層電阻特性變化趨于平穩(wěn)，降低SiC涂料性能的分散性。通過一系列調控技術，現(xiàn)在已能制備電機防暈專用的、性能穩(wěn)定的SiC涂料。

7.2提高防暈結構起暈電壓的穩(wěn)定性

防暈涂層外表附加外絕緣后，往往會出現(xiàn)防暈層性能反而降低的現(xiàn)象。研究表明，起暈電壓降低是因為附加絕緣與防暈層兼容性較差，附加絕緣通過滲透作用破壞了涂層中SiC微粉的原有分布形態(tài)。為此，研制了由超細SiC微粉涂料制備隔離層，把防暈涂層和附加絕緣層隔離開來，在防膠的滲透和遮蔽場致發(fā)光方面取得了理想的效果。即使沒有附加絕緣，經(jīng)過耐壓試驗后防暈結構本身的起暈電壓也有顯著降低的問題：在進行起暈電壓試驗時，如果在觀察到起暈后，不立即降低電壓，則隨觀察時間延長，放電迅速發(fā)展甚至貫穿防暈層；如果觀察到起暈后立即降壓，則再次做起暈電壓試驗時，起暈電壓便大幅度下降。研究表明，這種起暈電壓不斷降低的不穩(wěn)定現(xiàn)象與沿面空氣中的閃絡無關，并非閃絡首先破壞了防暈層，而是由于防暈層的表層首先發(fā)生了局部擊穿破壞：在高電場強度下，涂層中SiC顆粒間的接觸點被擊穿并形成局部低阻缺陷。繼而發(fā)展擴大導致整個涂層表層擊穿破壞，使起暈電壓或閃絡電壓降低。因此提高防暈結構本身起暈電壓穩(wěn)定性的關鍵是降低施加于各個SiC顆粒間的電壓。若采用粒徑更細的SiC微粉再結合電阻特性調控技術，則所制備的防暈涂層，就能顯著提高涂敷型防暈結構的表層擊穿電壓。

基于以上觀點采取了相應的措施后，順利地解決了涂敷型防暈結構耐受電壓能力和起暈電壓穩(wěn)定性較差的問題，同時也否定了涂敷型防暈結構不適用于高壓電機防暈的觀點。

7.3簡化防暈結構和工藝

以往由于以往防暈材料和防暈結構性能不穩(wěn)定。導致20～27kV級線圈防暈結構和工藝較為復雜，因此有學者認為，20～27kV級線圈防暈必須采用五級防暈結構。綜合采用了上述兩項創(chuàng)新成果。并結合防暈結構優(yōu)化技術后，將一級和三級，SiC防暈涂層的應用分別擴展到20～24kV級和27kV級線圈，完全有可能取代目前國內外采用的五級防暈結構，從而能有效地簡化防暈結構和工藝，使20～27kV級線圈端部起暈電壓遠高于部頒標準1.5Un的要求，甚至超過按(2.75Un+6.5kV)規(guī)定的耐壓試驗電壓水平，并且穩(wěn)定性好，分散性小。例如主絕緣厚度僅4mm(僅相當于15.75～18kV級絕緣厚度)、一段處理的SiC防暈結構，起暈電壓均大于70kV(相當于46kV級的部標起暈電壓水平，或相當于23kV級按(2.75Un+6.5kV)規(guī)定的耐壓試驗電壓水平)，耐壓試驗持續(xù)5分鐘后的起暈電壓仍不變。若主絕緣厚度達到27kV級規(guī)定的6.5mm(老規(guī)范約7～7.5mm)，則起暈電壓必定更高。