大型抽水蓄能機組發電電動機定子局部放電的研究

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

1 引言

1.1 局部放電

局部放電是發生在高壓絕緣空隙中或間隙中的小電火花，如果設備絕緣內部存在弱點或生產過程中造成的缺陷，當電壓應力超過了在這些空隙中存在的氣體的電擊穿強度時，局部放電就會發生，其特點是在高電場作用下發生的重復擊穿和熄滅的現象。局部放電可能發生在固體絕緣的空穴中、液體絕緣的氣泡中、具有不同特性的絕緣層之間，以及金屬（或半導電）電極的尖銳邊緣處。由于氣體的擊穿場強比固體介質低得多，氣體中的電場又比固體介質中高，因此往往在氣隙的部位產生局部放電。

局部放電產生的條件是電壓和氣隙。當氣隙中的電場強度達到電擊穿強度時（空氣的電擊穿強度約為3kV/mm），氣體被電離，從而有電流通過，造成局部導通。

1.2 局部放電脈沖特性

局部放電脈沖為上升時間極快的小電流脈沖，在放電原點處，脈沖的上升時間只有1～5ns，因此局部放電脈沖的頻率f在 50 ～ 250MHz之間，局部放電測量傳感器的頻率段應包含局部放電脈沖的頻率段。

1.3 發電機定子的絕緣故障

圖1 局部放電脈沖信號

發電機定子繞組絕緣老化或受損后，絕緣介質內部將出現裂縫、氣泡、氣隙等，當外施電壓達到氣隙放電場強后，氣隙開始放電，起初放電的能量很小，它的短時存在并不影響定子的絕緣強度，但若發電機定子絕緣在運行電壓下不斷出現局部放電，這些微弱的放電將產生累積效應，從而產生高能量的電容性放電，使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴大，最終導致整個絕緣擊穿。

雖然局部放電會使定子絕緣劣化而導致損壞，但它的發展需要一定的時間，發展時間與設備本身的運行狀況及局部放電的種類，與其產生的位置和設備的絕緣結構等多種因素有關。

因此，通過監測局部放電可以有效地掌握定子的絕緣狀況，根據放電量的逐年變化及其大小可以判斷發電機定子絕緣的演變及現狀，尤其在絕緣隱患未發展到真正的缺陷之前，通過常規的絕緣試驗（絕緣電阻，交流耐壓）檢查通常是發現不了的。

1.4 發電機定子的局部放電

發電機定子的局部放電可能在線棒的銅導體和接地的鐵芯之間的任何氣隙中產生，包括定子線棒絕緣內部、線棒絕緣與銅導體接觸部分或者線棒絕緣表面。另外，在發電機定子中，線棒的絕緣外層并非都與鐵芯接觸，所以局部放電還會在繞組端部區域發生，當絕緣受潮、表面臟污或外部防暈層損害時，線棒端部會發生表面放電或閃絡現象。

圖2 發電機定子線棒內氣隙放電及其等效電路圖

2 發電機定子局部放電類型

根據發電機定子繞組中局部放電發生的位置，其局部放電類型主要有繞組絕緣內部放電、端部及出槽口放電、槽放電以及銅導體和主絕緣間放電4種。

2.1 絕緣內部放電

由于制造工藝上的原因或在長期運行中的電、熱、化學和機械力的作用，發電機定子繞組絕緣老化，不可避免地會在絕緣層間出現氣隙。在運行電壓作用下，氣隙中的場強很容易達到擊穿場強，出現絕緣內部放電。內部放電會產生大量能量很大的帶電粒子，這些高能帶電粒子以很高的速度碰撞氣隙壁，能夠打斷絕緣體的化學鍵，造成絕緣材料的表面侵蝕，局部放電產生的局部過熱，會造成高溫聚合物裂解而使絕緣損壞。通常在運行電壓的作用下，氣隙首先擊穿，形成局部放電，內部局部放電的電、熱、化學和機械力的聯合作用，又進一步使氣隙擴大，造成絕緣有效厚度減少，使擊穿電壓進一步降低，最終導致絕緣擊穿。

2.2 端部及出槽口放電

發電機定子繞組端部出槽口屬套管型結構，電場分布極不均勻，場強集中，軸向場強最強，且此處屬低電位向高電位的過渡區域，盡管采取了一系列的措施（如低阻防暈涂層和分級防暈層等），仍是絕緣事故的多發區。對于防暈設計不理想的繞組，出槽口處極易發生高能量的電容性火花放電，嚴重的放電會逐漸燒損出槽口處線棒的主絕緣，導致絕緣擊穿。

通常發電機繞組端部采用綁扎或壓板結構固定，在運行中由于振動和摩擦使防暈層損壞時，會引起端部表面放電。由于發電機端部電場局部集中，一旦發生端部放電，將對發電機的絕緣產生很大的破壞作用。

2.3 槽部放電

槽部放電是指線棒主絕緣表面和槽壁之間的放電。其產生的原因是線圈的絕緣體在運行溫度下，受熱膨脹較小使槽部表面不能和鐵芯槽壁完全接觸，存在間隙。在運行中因振動或摩擦使槽部防暈層脫落或者線棒本身防暈層不足，當間隙中的電場超過間隙的擊穿場強時，即發生槽放電。槽部放電是比電暈放電能量大數百倍的間隙火花放電。放電使空氣電離產生臭氧、氮及其氧化物與氣隙中的水分子起化學反應，產生腐蝕性很強的硝酸等，引起線棒表面的防暈層、主絕緣、槽楔、墊條等燒損和腐蝕。

2.4 銅導體和主絕緣間放電

與絕緣內部放電類似，由于制造工藝上的原因或在長期運行中的電、熱、化學和機械力的作用，定子繞組不可避免地會在銅導體和主絕緣間出現氣隙，在運行電壓作用下，氣隙中的場強很容易達到擊穿場強，使導體和絕緣間出現局部放電現象。這種放電產生的能量使絕緣碳化，逐漸出現樹狀放電軌跡，最終導致絕緣擊穿。

3 發電機定子的局部放電特性

通過對大量數據的采集研究，發現發電機定子的局部放電圖譜存在較明顯的放電特性，總結歸納如下：

3.1 局部放電的相位

根據經驗研究，局部放電主要發生在正弦波的上升段，即每一周波的第一和第三象限，也就是電壓的上升段。在第一象限，當外加電壓上升，氣隙兩端的正向電壓超過局部放電起始電壓時，氣隙開始放電。放電引起的氣隙兩端累積電荷建立了一個反向電壓使氣隙內部的電壓減小。當氣隙兩端的電壓再次上升到局部放電起始電壓時局部放電再次發生，如此循環直到外加電壓不再上升。此后，隨著外加電壓逐步下降，氣隙的電壓也逐步下降，當氣隙的反向電壓超過局部放電起始電壓時局部放電再次發生。

但是，不同類型的放電在各象限的行為表現是不同的，并不是所有的放電都表現在一、三象限（比如線棒出槽口處放電），需要根據放電圖譜及放電特點來進行具體分析。

局部放電脈沖與交流電相位的對應關系如圖3所示。

3.2 局部放電的極性

局部放電脈沖與外加的電壓趨勢是反向的，在交流正弦波的一個周波的正半周內產生的局部放電為負放電，負半周發生的局部放電是正放電。即在工頻正弦波的第一象限，局部放電產生負的、下陷的脈沖；在第三象限，局部放電產生正的、向上的脈沖，這也可以認為是負極性的局部放電發生在氣隙的正電壓增加的第一象限；正極性的局部放電發生在氣隙的負電壓增加的第三象限。

圖3 局部放電脈沖與交流電相位的對應關系

3.3 局部放電的極性優勢

由于局部放電脈沖具有的正、負極性特征，因此在分析局部放電數據時，根據其所表現出來的極性優勢，可以判斷出局部放電發生的位置。

局部放電信號所表現出來的極性優勢與由定子繞組各部位的材料特性有關系，銅導體及絕緣材料得失電子的能力間接反映局部放電脈沖不同的極性優勢，因此通過測量得到的局部放電脈沖的極性優勢可確定定子線棒局部放電發生的具體部位：局部放電脈沖如表現出正極性優勢明顯，即正脈沖大于負脈沖，則局部放電多發生在繞組絕緣表面；局部放電脈沖表現出負極性優勢，則局部放電發生在銅導體與主絕緣之間；局部放電脈沖表現出正負極性相當的優勢，則局部放電多發生在主絕緣內部。

局部放電脈沖的極性優勢與局部放電發生的位置對應關系如圖4所示。

圖4 局部放電脈沖的極性優勢與局部放電發生的位置對應關系

4 抽水蓄能機組可逆式發電電動機定子局部放電

舉一實例論證通過對水輪發電機定子局部放電典型譜圖的研究，發現定子繞組存在的問題，借以論證其譜圖分析的準確性。

抽水蓄能機組的發電機與常規水電機組發電機不同，其為可逆式的發電電動機，運行工況復雜，機組啟停頻繁，負荷不斷變化，尤其是發電工況下，根據電網的負荷要求隨時都在調整負荷。發電電動機在發電工況和抽水工況下，具有不同的相序，因此同一臺機組同一相的同一分支在發電和抽水工況下有可能會表現出不同的局部放電現象。 因此，在進行抽水蓄能機組的局部放電分析時，需要根據不同工況分別進行分析。

某抽水蓄能發電電動機，1996年投運，額定容量200MW，額定電壓13.8kV，為3相3分支星接疊繞組，整個定子共180槽360根線棒，每相每分支為40根線棒串聯。在定子繞組的每相每分支的高壓出線處均安裝有一個80PF的電容型局部放電耦合器，用于采集局部放電脈沖。

該臺發電機由于早期防暈設計及端部綁扎設計的考慮不足，造成長期運行中的發電機定子繞組存在電腐蝕及線棒松動的問題。定子線棒的電腐蝕非常嚴重，尤其是出槽口及槽內電腐蝕；線棒下端部存在松動現象。該機組于2006年安裝了局部放電在線監測裝置。

自2006年至2013年，該發電機的局部放電發展趨勢如圖5所示。

檢查線棒是否存在松動的問題，較有效的方法是機組的發電工況變負荷試驗，當線棒松動時，局部放電為表面放電，表現出明顯的正極性優勢，局部放電會隨負荷增加而增加。發電機中有電流通過的線棒在發電機磁場中受的電磁力與電流的平方成正比，Fm∝I2，負荷增加，電流增加，因此線棒受力隨負荷增加而增大。如果線棒存在松動現象，隨著負荷增加的電磁力增大，線棒的松動隨之加劇，放電量隨之增大，機組變負荷試驗中，機組退出AGC運行，負荷靠人工控制，可以很好地檢驗線棒是否存在松動問題。該發電機在發電工況變負荷試驗中采集的局部放電三維數據如下（圖中的QM為局部放電強度）。

圖5 發電機局部放電變化趨勢圖

A相支路1的局部放電特征：

（1）正極性優勢明顯；

（2）正局部放電量隨負荷增長有很明顯的變化；

（3）局部放電相位分布在45°和225°左右；

（4）局部放電量在滿負荷時相對較大，超過373mV的正常經驗值。

根據局部放電特征分析，局部放電正放電優勢明顯，且局部放電量隨負荷的增長由明線的增大趨勢，該支路存在線棒松動的現象。

B相支路2的局部放電特征：

圖6 A相支路1，發電負荷50MW，QM+：78mV，QM-：88mV

（1）正極性優勢明顯；

（2）局部放電量隨負荷增長沒有很明顯的變化；

圖7 A相支路1，發電負荷100MW，QM+：297mV，QM-：192mV

圖8 A相支路1，發電負荷150MW，QM+：416mV，QM-：177mV

圖9 A相支路1，發電負荷200MW，QM+：761mV，QM-：183mV

圖10 線棒松動造成的磨損

（3）局部放電相位分布在45°和225°左右；

（4）局部放電量較大，超過373mV的正常經驗值。

根據局部放電特征分析，該支路線棒沒有明顯的松動現象，但是有較嚴重的表面放電現象，屬槽內放電的可能性較大。

圖11 B相支路2，發電負荷50MW，QM+：764mV，QM-：397mV

圖12 B相支路2，發電負荷100MW，QM+：769mV，QM-：517mV

圖13 B相支路2，發電負荷150MW，QM+：916mV，QM-：620mV

圖14 B相支路2，負荷200MW，QM+：800mV，QM-：475mV

該相分支高電位線棒拆下后，觀察現象與局部放電分析基本一致，槽內電腐蝕較嚴重，大部分防暈層已經腐蝕掉，外層的玻璃絲云母帶逐漸腐蝕成白色粉末。

圖15 槽內電腐蝕的線棒

如果槽內電腐蝕發展很嚴重，而線棒端部綁扎設計不足的話，會加劇線棒松動。

圖16 A相，負荷50MW，QM+：2580mV，QM-：2974mV

A相支路1的局部放電特征：

（1）局部放電量非常大，接近3000mV，存在較嚴重的放電點，有可能已經發展到電容性火花放電；

（2）沒有非常明顯的正、負極性優勢；

（3）局部放電相位分布在0°（360°）、180°、45°、225°左右；

圖17 A相，負荷100MW，QM+：2526mV，QM-：3102mV

圖18 A相，負荷150MW，QM+：2389mV，QM-：2785mV

A相該支路線棒可能存在嚴重的出槽口放電現象，由于出槽口處放電情況較為復雜，因此其相位分布存在一定的不確定性，也有可能會出現在90°相位附近，如圖19所示，該支路為B相支路1，局部放電集中在90°附近，有可能存在出槽口放電。

圖19 局部放電圖譜

A相支路1的高電位線棒情況如圖20所示，與局部放電測量數據結果基本對應，在出槽口處存在嚴重的電腐蝕問題，電腐蝕已經發展到電容性火花放電，外部防暈層完全腐蝕掉，并逐漸燒灼到了主絕緣。

圖20 出槽口電腐蝕

對于抽水蓄能機組，實時在線測量時，抽水工況下的局部放電分析數據相對有效，發電工況下負荷變化過程的電磁干擾會引起局部放電數據的波動，因此發電工況測量的數據會出現時大時小的頻繁波動，反映的往往不是發電機真實的局部放電情況，但是，對于有可能存在相間放電的情況，需要結合發電和抽水工況來分析。

局部放電與溫度的關系：主絕緣內部或者靠近銅導體的空隙導致的局部放電（負放電占優勢或者正負放電都無優勢）受溫度影響較大。發電機剛啟動時處于冷態，溫度較低，這些部位的局部放電相對較高；發電機運行一段時間后，銅導體有電流通過，不斷發熱，溫度比啟動時高，由于熱膨脹的作用，這些部位的空隙會變小甚至消失，因此局部放電會隨溫度上升呈下降趨勢。如果局部放電是發生在線棒表面（正放電占優勢），局部放電會隨溫度上升而增大，呈正比關系。

5 結論

通過對局部放電測量三維譜圖的研究、分析、歸類及實例的驗證，根據局部放電譜圖的相位、表現出的極性優勢等特征，可分析并確定定子繞組局部放電發生的位置，判斷局部放電屬絕緣內部、端部及出槽口還是槽內放電，并可判斷是由線棒松動、電腐蝕還是表面臟污引起的局部放電，通過實例研究，論證了譜圖分析的正確性及局部放電分析查找定位的準確性。

日常通過對局部放電在線數據的長期監測，可發現并總結其局部放電變化的趨勢，對于定子繞組的絕緣狀況監視具有重要的數據佐證。