電極系統對電機定子線棒絕緣介質損耗的影響

胡 波 梁智明 漆臨生 張小俊 何海洋

（東方電氣集團東方電機有限公司, 四川 德陽 618000）

1 引言

隨著我國國民經濟連續三十年的高速發展，社會經濟的發展對電力的需求越來越迫切。因此，國內一批核電站、抽水蓄能水電站、超超臨界火電站、燃氣輪發電電站和新能源發電設施也隨之大力興建，同時各類型發電機的單機容量與額定電壓也隨之不斷的提高，從而給大中型發電機定子線棒的主絕緣提出了新的挑戰。我國的電機定子線棒主絕緣雖然已經由瀝青片云母A級絕緣發展到環氧粉云母B級絕緣和F級絕緣，同時采用較先進的真空壓力浸漬（VPI）的線棒絕緣制造工藝等，但是其內部氣隙始終不能完全消除[1]。而這些氣隙在較低電壓下的放電可能引起電、化學、機械、光、聲等多因子老化，加速定子線棒在運行過程中的絕緣老化，縮短定子線棒絕緣的壽命。因此，精確測量和嚴格控制線棒絕緣內部氣隙和未完全固化的樹脂等對確保線棒絕緣安全運行非常重要。

目前國內外業主對電機制造廠生產的定子線棒絕緣的介質損耗因數的要求越來越高，特別是某些重大機組、出口機組或大容量機組的合同要求所有定子線棒絕緣的技術指標達到國標中優等品要求。同時因為定子線棒絕緣的介質損耗因數的測試方法、試驗設備、影響因素和考核指標在IEC、IEEE、BS、VDE、GB等標準中有明確的規定，所以該指標也是用戶嚴格控制線棒絕緣質量的重要途徑之一。

盡管技術文件對介質損耗因數的測量電極系統已有明確規定，但是在實際操作過程中，還是很難做到完全按照規定來進行測試，特別是電極系統的合理且準確的配置。因此，定量研究電極系統參數對介質損耗的影響對于準確測量線棒槽部主絕緣介質損耗、排除外來干擾、簡化試驗流程、合理安排制造與試驗的工序等均有積極作用。

本文通過對線棒絕緣介質損耗的三電極測量系統的結構分析，建立了介質損耗測量電極系統的電路模型。在此基礎上計算了各影響參數與線棒的介質損耗之間的關系。

2 理論模型

2.1 三電極測量系統結構[2]

定子線棒絕緣介質損耗三電極測量系統的結構如圖1所示。

圖1 線棒絕緣三電極測量系統結構圖

三電極測量系統一般要求測量電極與保護電極之間的間隙為表面電阻率很高的絕緣，稱為“真三電極”；在實際操作中，一般通過斷開線棒槽部低電阻防暈層一定距離來實現。而在一些特定條件下，例如不允許或不方便斷開低電阻防暈層時，也可以使用“偽三電極”（其與前者的差別主要在于間隙的表面電阻率較低）來進行測量；在實際操作中，一般通過將該間隙置于線棒端部高電阻防暈層或高電阻防暈層外的防暈保護層上來實現。

因此，三電極測量系統的主要特點就是測量電極與保護電極之間存在一定的電阻值以避免端部表面電導電流進入測量回路。三電極測量系統的關鍵就在于保護電極屏蔽端部表面電導電流的程度。

測量電極和保護電極的絕緣結構如圖2所示。假定線棒槽部兩端的結構完全對稱，測量電極的長度為L。取線棒一端間隙MN進行分析，MN兩點的間距為Li（單位是mm），點P為MN的中點。

2.2 測量電極的電位

為建立介質損耗測量系統LDSV-6的電路模型，需要對真機定子線棒絕緣在測試介質損耗時的測量電極電位隨外施高壓變化的情況進行試驗，試驗回路如圖3所示。

圖2 保護間隙MN的結構圖

圖3 測量電極電位測試線路圖

試驗結果如表1所示，當定子線棒在進行介質損耗測試時，測量電極的電位很低，幾乎可以忽略不計。同時該結果與檢測單元的輸入阻抗和流經檢測單元的測量電流的乘積值具有很好的一致性。

表1 測量電極表面電位測試結果

該測試結果表明，測量電極和保護電極在測量過程中的電位幾乎為零，間隙的電路參數和幾何參數沿中點P對稱分布。

2.3 三電極測量系統的電路模型

假設主絕緣的體積電阻Ra、銅線與主絕緣之間的內均壓系統的電阻和電容、保護間隙的表面電容Ci、測量電極和保護電極的邊緣效應、保護電極的長度均可以忽略不計，則保護間隙的結構可以等效為圖4（a）的分布參數式電路。當間隙的電路參數和幾何參數沿MN的中點P對稱分布時，圖4（a）的分布參數式電路可以簡化為圖4（b）的集總參數式電路。

圖4 保護間隙MN的等效電路圖[3]

圖中，Ca為主絕緣單位長度的電容，Ri為保護間隙單位長度的表面電阻，C為MN段主絕緣的等效電容，R為MP段或NP段保護間隙的表面電阻

根據圖4（b）的等效電路，有式（1）成立。

解式（1）可得式（2）

根據電極系統的結構，分析主絕緣的等效電容C和保護間隙的表面電阻R可知

表2 Li(mm)和ρs(Ω)對γ分布的影響

式中，d為主絕緣單面厚度，mm；A為保護間隙的周長，mm；ρs為保護間隙的表面電阻率，?。

由式（2）、式（3）和式（4）得最高電位與外施電壓的比值γ，如式（5）所示。因此，保護間隙MN沿線棒長度方向上的表面電位分布呈現兩端低、中間高的趨勢，這與定子線棒直線部分槽電位分布規律類似[4]。當中點 P兩側的電路參數和幾何參數完全相同時，則MN間表面最高電位應出現在點P上，且其電位值可以由式（5）計算得到。顯然，該電位值與保護間隙表面電阻率、保護間隙的間距和絕緣厚度有關。

2.4 γ的分布

取d=3mm，εr=5，則γ隨保護間隙的表面電阻率 ρs和保護間隙的間距 Li變化如表 2所示。當 ρs一定時，γ隨 Li單調增加；當 Li一定時，γ也隨 ρs單調增加。

從極限情況來看，這是可以理解的。當 ρs→0或 Li→0時，測量電極、保護電極及其之間任意點處于短路狀態，其電位均趨近于零；當 ρs→∞或Li→∞時，測量電極、保護電極及其之間任意點處于斷路狀態，表面阻抗遠大于主絕緣內部阻抗，即內部阻抗可以忽略不計，故表面電位趨近于外施電壓。

2.5 附加介質損耗tanδ1

基于以上電路分析，線棒絕緣在測試介質損耗時，其tanδ值包括線棒絕緣自身的介質損耗和由保護電極表面電位引起的附加介質損耗。該附加介質損耗值 tanδ1可以根據圖 4（b）中左側串聯電路模型[5]計算得到，如式（6）所示。

顯然，對于某固定電極系統來說，當保護間隙的表面電阻率 ρs和保護間隙的間距Li基本不變時，tanδ1可以視作一個定值。即當保護間隙未發生放電、溫升、污穢等可能引起電路參數和幾何參數改變的現象時，則tanδ1基本不隨外施電壓的增加而變化。

2.6 介質損耗測量值tanδ

當線棒絕緣質量較好時，主絕緣自身的介質損耗值 tanδ2可以視作常數，則 tanδ2和 tanδ1的并聯等效介質損耗tanδ可以根據復合介質并聯組合的等效計算公式[6]計算得到，如式（7）所示。

式中，tanδ2為主絕緣自身的介質損耗； tanδ1為測量系統的附加介質損耗；μ為保護間隙覆蓋主絕緣與測量電極覆蓋主絕緣的體積之比，考慮到相同的絕緣厚度d和絕緣截面尺寸A，則μ等于保護間隙長度Li與測量電極長度L之比；η為測量電極覆蓋主絕緣與保護間隙覆蓋主絕緣的相對電容率 εr之比，在數值上等于1。

因此，結合三電極測量系統的上述結構參數，式（7）可以進一步簡化為式（8）。

取 d=3mm、tanδ2=0.5%、L=2000mm 和 εr=5，則tanδ隨保護間隙的表面電阻率ρs和保護間隙的間距Li變化如表3所示。

表3 Li(mm)和 ρs(?)對 tanδ的影響

在盡可能削弱流經圖4（b）中左側電路的附加電流對測量回路總電流影響的前提下，制造商或試驗人員通常希望在工程實踐中易于實現介質損耗的準確快速測試，即ρs不要求太高且Li不需要太小。由表 3可知，當電極配置為 ρs∈（1.00E+07?，1.00E+10?）且Li∈（3mm，10mm）時，比較適于準確、批量化測試電機定子線棒的介質損耗。

3 試驗結果

3.1 Li對tanδ 的影響

對額定電壓為 13.8kV的真機定子線棒測試其常態介質損耗tanδ隨保護間距Li的變化情況，如圖5所示。

由圖5可知，隨著Li的增加，tanδ也逐漸增大，而介損開始增加的電壓（即起始放電電壓[7]）基本不變。這說明 Li對介質損耗在低電壓下的起始值影響較大，而對由氣隙放電引起的介損增量基本無影響。這與前文中tanδ1可視作定值的計算結果相吻合。

3.2 ρs對tanδ 的影響

（1）ρs在k? 量級上

當ρs在k?量級和G?量級時，試驗線棒的常態介質損耗tanδ－U曲線，如圖6所示。

圖5 Li對tanδ－U曲線的影響

圖6 ρs對tanδ～U曲線的影響

由圖6可知，當ρs由G?量級變為k?量級時，介質損耗起始值及其增量均大大增加，主要是保護電極無法屏蔽線棒端部表面的附加電導電流的影響，該曲線類似于無保護電極的兩電極測量系統的測試結果。

（2）ρs在M?量級～G?量級范圍

當電極為“偽三電極”時，即ρs在M?量級～G?量級范圍，對真機線棒測試其常態介質損耗tanδ－U曲線，如圖7所示。

圖7 真三電極和偽三電極對tanδ～U曲線的影響

由圖7可知，在各電壓下真三電極介質損耗測試結果比偽三電極介質損耗測試結果略小，而介損增量基本相同。這也與表3中Li=5mm且ρs在107?～1010?范圍時計算結果差異不大的情況相吻合。

3.3 局限性

由前文的假設條件和表 2、表 3的計算結果可以知道：當保護間隙的表面電阻率ρs和保護間隙的間距Li過大或過小時，計算結果與試驗結果相差較大，這說明該理論模型不適于ρs或Li過大或過小的情況。

當 ρs或 Li過小時，由式（5）可知，保護間隙表面電位沿線棒長度方向上幾乎相同，同時保護間隙的表面電阻較小。此時電極的邊緣效應、保護電極的屏蔽效果等將明顯影響測量結果。因此，該模型不再適用。

當ρs或Li過大時，主絕緣的體積電阻Ra、銅線與主絕緣之間的內均壓系統的電阻和電容、保護間隙的表面電容Ci等均不能忽略，則保護間隙附加介質損耗的計算不能再簡化如圖 4，顯然本模型不再適用。

4 結論

（1）建立了電機定子線棒絕緣介質損耗測量電極系統的理論模型，計算了保護間隙的表面電阻率和保護間隙的間距對線棒絕緣介質損耗及其增量的影響。

（2）在一定的范圍內，計算值與測試值的變化趨勢具有較好的一致性。

（3）該理論模型不適于保護間隙的表面電阻率和間距過大或過小的情況。

[1]漆臨生,梁智明,皮如貴.發電機定子線棒導線絕緣結構試驗研究[J].絕緣材料, 2005(3):19-28.

[2]IEEE 286-2000，IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip up of Electric Machinery Stator Coil Insulation[S].

[3]陳勤瑞,巫松楨,楚秀娥.低損耗材料在工頻損耗測量中存在的問題及改進措施[J].絕緣材料通訊,1988:30-38.

[4]吳曉蕾,朱慧盈,付嵐貴.發電機定子繞組槽電位穩定性研究[C].第十屆絕緣材料與絕緣技術學術交流會論文集.北京:2008:31-35.

[5]巫松楨,陳壽田,王瑜瑛.絕緣測試中測量電極邊緣效應的研究[J].絕緣材料通訊,1980:5-6.

[6]徐傳驤,劉輔宜,鐘力生.工程電介質物理與介電現象[M].西安:西安交通大學出版社,2005.2:78-82.