發電機定子安裝工藝對繞組端部電暈的影響

楊增杰，楊國慶（華能瀾滄江水電股份有限公司檢修分公司，云南昆明650214）

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發電機定子安裝工藝對繞組端部電暈的影響

楊增杰，楊國慶
（華能瀾滄江水電股份有限公司檢修分公司，云南昆明650214）

摘要：瀾滄江流域某電廠發電運行1年后，檢修檢查6臺發電機定子，在線棒端部、端箍、斜邊墊塊處均發現有明顯的電暈電腐蝕白色斑點、放電灼燒變色痕跡。在后續檢修中從施工工藝的改善和更改繞組接線2個方面對發電機端部電暈及放電進行處理，基本消除了端部放電，本文從安裝工藝方面闡述工藝對電暈的影響及改善方法。

關鍵詞：電暈；斜邊間隙；施工工藝；尖角毛刺；繞組改接線

0引言

高壓電機整機電暈包括槽部電暈、線棒槽口電暈和端部電暈，電機的防暈主要是解決線棒槽部對槽壁不放電，線圈端部不發生電暈，下線前線圈起暈電壓要求達到或超過標準指標，并經長期運行后防暈性能安全可靠。瀾滄江流域某電廠水輪發電機SF700─40/12770，單機容量700 MW，額定電壓18kV，繞組接線3相8支路雙層波繞組，槽數480槽，節距1-14-25，整數槽繞組，絕緣等級F級，定子安裝海拔為998.5 m，絕緣材料主要為環氧粉云母，冷卻方式為密閉自循環空氣冷卻。機組安裝運行后，檢修中檢查均發現定子繞組端部端箍、斜邊墊塊、綁繩等部位有明顯的電暈電腐蝕白色斑點、放電灼燒變色痕跡，電暈試驗紫外成像檢測端部電暈現象嚴重。

1某電廠發電機端部電暈問題

該電廠共有6臺水輪發電機組，其中：1號、3號、5號、6號和2號、4號機定子線棒分別由不同的2個生產廠家設計制造；這些機組在安裝過程中沒有異常，運行一段時間后6臺發電機定子繞組端部均出現了不同程度的電暈放電現象。主要是4種不同類型的電暈及放電：①異相線棒、引出線線棒之間電暈。如圖1-1、圖1-2所示。②異相線棒間斜邊墊塊的氣隙或邊緣處電暈。如圖1-3所示。③下層兩異相線棒與端箍間電暈。如圖1-4、圖1-5所示。④電暈試驗紫外成像儀檢測端部電暈。如圖1-6所示。

圖1　繞組端部電暈電腐蝕

2端部電暈、放電原因分析

2.1電機防暈系統

該電廠所使用的定子繞組防暈，單根線棒防暈在廠內制造時完成，出廠前進行耐壓和電暈試驗，端部整體防暈在現場安裝過程中完成，并開展整機電暈試驗。

2.1.1單根線棒防暈

1、3、5號發電機線棒防暈。定子線棒防暈結構為傳統的半截結構，即端部高阻防暈層末端離引線有一定的放電距離（距離引線絕緣終止處80～90mm），其繞組端部為3段防暈梯度設計并外加防暈層結構，該防暈結構在國內龍灘電站、三峽電站、錦屏電站、溪洛渡電站均有應用，且技術較為成熟。

2、4號發電機線棒防暈。定子線棒防暈采用端部全包防暈層，防暈層末端與引線相連，其繞組端部為2段防暈梯度設計，且在裝機時在端部整體噴涂高阻防暈漆，該防暈結構已在國外大型水輪發電機組應用多年，且技術較為成熟。

2種防暈系統均包括槽部防暈和端部防暈，分別具有不同功能。槽部防暈保證定子線棒和定子鐵心間電氣接觸并抑制槽部放電。端部防暈是減低定子線棒表面電場梯度，并抑制機組繞組端部電暈。2種線棒在廠內試驗，均滿足標準要求即單根線棒在1.5 UN電壓下不起暈。

2.1.2端部整體防暈系統

1、3、5號發電機端部整機防暈系統。按廠家圖紙要求確認斜邊墊塊位置，調整斜邊墊塊厚度，調整線棒之間端部及斜邊的間隙盡量均勻；斜邊墊塊、端箍及槽口墊塊等固定件與線圈直接接觸面均需墊放浸漬高阻防暈漆的滌綸適形材料，線棒斜邊墊塊綁帶與線棒必須貼合，綁扎后將線頭塞到內部，保持外部光滑平整，浸漬膠固化后表面打磨，使之光滑無尖角，最后用吸塵器清理浮塵和粉碎；在繞組端部線棒原高阻防暈漆的表面噴高阻防暈漆2遍，上層下層分別實施，噴涂時先噴綁帶、滌綸氈和斜邊墊塊，之后再噴涂定子線棒整個端部表面和端箍，銅環引線支架與引出線接觸處涂刷高阻防暈漆。

2、4號發電機端部整機防暈系統。定子線棒安裝在定子槽部后，按圖紙要求正確定位并綁扎在繞組端部。繞組端部所有材料經電場梯度化材料（防暈材料）處理。線棒安裝后，墊塊包裹浸漬防暈材料的毛氈，墊塊由玻璃絲帶和樹脂固定。完成后，繞組端部再次進行防暈處理，噴防暈材料。現場線棒安裝后，固定玻璃絲繩絕緣端箍并浸漬絕緣漆。安裝和浸漬后，玻璃絲絕緣端箍上噴涂防暈材料，抑制電暈。同時要求墊塊和玻璃絲帶安裝后無氣隙和褶皺，相間線棒需保持恰當的空氣距離。

2.2線棒端部缺陷對電暈、局部放電產生的影響

2.2.1繞組端部電暈位置工藝缺陷

針對發電機端部電暈、局部放電現象檢查發現端部出現電暈、放電現象位置存在如下情況，部分位置幾種情況同時存在。①異相線棒間間隙較小。設計要求端部間隙≥12 mm，部分位置由于線棒公差、安裝調整不到位、引線位置手包絕緣過厚等，實際間隙<12 mm，部分位置則大于平均間隙；②墊塊與線棒絕緣表面間存在間隙。斜邊墊塊安裝時，適型毛氈規格與墊塊規格不一致，毛氈與墊塊未對齊造成絕緣表面與墊塊間局部間隙；③線棒間隔墊塊外側綁帶存在褶皺、尖角、毛刺。墊塊綁帶邊沿毛刺未清理干凈，綁帶收尾接頭未處理好，綁帶綁扎過程中扭轉；④金屬端箍與下層線棒間適型氈存在褶皺、尖角、毛刺、局部小間隙，端箍綁帶與線棒絕緣表面間間隙毛刺；⑤端部異相線棒間線棒表面不光滑、漆瘤。

2.2.2安裝工藝不良對端部電場及電暈起始電壓的影響

1）異相線棒間間隙較小。造成異相線棒間間隙較小的原因有：①安裝時端部間隙調整不到位導致部分斜邊間隙大于平均值、部分小于平均值；②位于引出線部位的異相線棒由于引線手包絕緣尺寸較大導致斜邊間隙較小；③整體設計偏緊湊斜邊間隙裕度較小。圖2是發電機繞組端部2只不同相相鄰線棒的截面示意圖，從橫截面看，兩個銅導體間可看成3個電容串聯，分別是A相主絕緣電容、線棒表面間的空氣隙電容和B相主絕緣電容。離鐵心越遠線棒表面電壓越高，靠近繞組端部、絕緣表面電壓已接近導體電壓，為簡化分析，每個電容都用平行極板電容模型進行計算，電容值取決于絕緣厚度和絕緣材料的介電常數，按照普通電容的分壓關系，假設相間線棒間電壓差為UN、線棒單邊絕緣的厚度為a、云母絕緣介電常數εa、斜邊間隙距離d、空氣介電常數εd，則空氣隙上所承受的電壓U空氣見式（1）、式（2）所示，超過80 %線電壓由端部的相間間隙所承受,不同結構發電機其主絕緣厚度、斜邊間隙等不同，端部的相間間隙所承受電壓不同。斜邊間隙中電場強度E空氣見式（3），可見在安裝階段發電機繞組的主絕緣厚度、絕緣材料、繞組接線均已確定即UN、a、εa、εd均已確定，而斜邊間隙距離在安裝過程中會有一定的變化。安裝中影響斜邊間隙中電場強度E空氣的主要參數為d斜邊距離。因此安裝過程中斜邊間隙的調整控制及為重要，尤其是繞組設計中相間電壓差較高，端部間隙設計緊湊，薄主絕緣設計的發電機，另外通常繞組首端引線電壓均較高（如采用手包絕緣引線的發電機），應密切關注手包絕緣對斜邊間隙的影響。安裝過程中工藝還會導致端部局部電場集中（后續討論中加以說明）。

假設固體絕緣相對介電常數等于4，空氣相對介電常數εd約等于1，主絕緣單邊厚度a為4.1mm，設計斜邊間隙d為12 mm，帶入上式則：

圖2　繞組端部兩只相鄰線圈的截面圖、電路圖

2）斜邊墊塊與線棒絕緣表面之間間隙。造成斜邊墊塊與線棒絕緣表面間隙的原因有：①使用的適形毛氈規格與墊塊尺寸不匹配，安裝后毛氈偏小，墊塊與線棒表面間有局部間隙；②在斜邊墊塊安裝時浸漬過防暈材料的適形毛氈已固化變硬起不到適形作用；③少數墊塊位置受線棒手包絕緣表面不平整的影響產生局部間隙。現在對繞組端部異相線棒間斜邊墊塊部位的電場分布情況作一簡單分析。假定2個線棒分別為A相和B相，端部相互平行，兩相繞組端部表面無防暈層，兩相繞組的導體之間可近似看成一個平板電容器，電容器內部有1隔墊塊。電容器2個極板間的絕緣層依次是：A相絕緣層、斜邊墊塊、B相絕緣層，若斜邊墊塊與絕緣層間無氣隙，而且斜邊墊塊與絕緣層的電容率、電阻率相同時，則電位分布見圖3中曲線a；若在斜邊墊塊與絕緣層之間有氣隙，則氣隙上將承受較大的電壓降，因而引起氣隙放電，見圖3中曲線b。施工過程中嚴格控制斜邊墊塊的安裝質量，消除墊塊與線棒表面的小間隙，墊塊綁扎前應全面檢查墊塊安裝質量，確保消除存在的間隙，正常安裝較難消除部位可通過填充絕緣膩子消除。另外斜邊墊塊安裝部位不同繞組電位不同，墊塊與線棒間間隙對電暈及放電影響程度不同，部分墊塊安裝在同相線棒間電位差較小有間隙也不一定放電，部分墊塊安裝在異相線棒間電位差較大少數接近額定電壓，間隙的存在必然導致電暈放電。因此施工中必須加強繞組電壓分布較高部位間隙的處理。

圖3為斜邊墊塊與絕緣層之間有氣隙時的電容器結構及其電場分布示意圖。

圖3　

圖4為斜邊墊塊外側表面與絕緣層表面接觸處的電場。

圖4　

3）線棒間斜邊墊塊外側綁帶存在褶皺、尖角、毛刺。當2個導體之間有斜邊墊塊，而且在斜邊墊塊與絕緣層之間沒有氣隙時，則在斜邊墊塊外側表面與絕緣層表面接觸處發生電場集中，很容易發生放電，如圖4所示α附近，當斜邊墊塊外側表面電場集中處綁帶存在褶皺、尖角、毛刺時，則更容易放電。

4）端箍與線棒間適形材料安裝不當存在間隙尖角毛刺。繞組端部電場是復雜的三維空間不均勻電場，由于線棒兩端防暈結構，不同阻值的防暈層依次向端部延伸，使線棒槽口處電位梯度變小，電場強度降低，但防暈末端電壓升高，場強集中，多段防暈梯度設計各防暈段搭接部位也容易電場集中。另外據線棒之間的電場的模擬和模型實測試驗研究表明，線棒之間最大電場出現在線圈絕緣棱角的表面。再加之對兩線棒之間的斜邊電場起決定作用的是法向電場，其主要取決于2支線棒之間的電壓差。發電機安裝后端箍位于中高阻末端和高阻搭接位置附近，并且跨過線棒外側棱角處，同時端部斜邊段兩換相線棒間電壓差較高，電場強度較大，在如此復雜的電場區域存在間隙尖角和毛刺必然會導致局部放電或電暈。因此在施工中端箍位置間隙尖角毛刺的處理必須引起高度重視，另外端箍固定結構、安裝工藝設計也應有所考慮。

5）線棒間尖角漆瘤等對電場的影響。在不同相線棒端部間隙之間承受著大部分線電壓，間隙間電場強度較大，尖角毛刺的存在會惡化局部電場分布，超過起暈電壓。在電暈試驗時若使用紫外線成像儀則很容易觀察到電暈現象，在耐壓試驗中則肉眼就能觀察到。

2.2.3防止端部電暈、局部放電的措施

為防止端部槽口以外部位的電暈及放電，應采取如下措施：①定子繞組在設計制造時應充分考慮制造公差、現場施工工藝等對端部斜邊間隙影響，斜邊間隙的設計應留有足夠的裕度。②繞組與端箍、繞組與槽口墊塊、繞組與斜邊墊塊之間，繞組固定點與線棒表面接觸處，應填充適形材料，確保固化后密實無間隙；繞組與墊塊接觸處平穩過渡，消除尖角毛刺。③高壓區域如電壓較高的換相線棒之間、繞組首端引線等部位細小的玻璃纖維和小氣隙是電暈的進一步原因，應特別關注。④繞組端部手包絕緣位置，應充分考慮手包絕緣工藝對端部斜邊間隙的影響。⑤安裝過程中嚴格控制線棒間斜邊間隙的調整，確保間隙大于設計間隙，在平均間隙附近。⑥下層線棒與端箍之間綁帶、斜邊墊塊與線棒之間綁帶，應充分貼合避免與線棒絕緣表面之間形成間隙，綁帶收尾處理、綁帶邊緣避免尖角毛刺產生。⑦端部整體防暈，按設計要求噴涂防暈材料，且覆蓋完整無遺漏。⑧采用耐電暈的適形材料，填塞端部斜邊及固定件間間隙，以防止端部異相間及固定件間電暈。

3定子繞組端部電暈處理

在瀾滄江流域某電廠2種發電機的電暈處理中，除施工工藝加以改善外，還更改了繞組接線。繞組接線更改后運行中電壓分布改善，但電暈試驗時電壓分布不變，因此通過電暈試驗結果可客觀反映出改善施工工藝對發電機端部電暈的改善效果。本文以1號發電機和2號發電機處理為例進行說明。1號發電機拆除定子繞組重新下線，在施工過程中對端部固定結構工藝進行改進和完善。2號發電機端部結構局部拆除，施工過程中在原有結構工藝基礎上進行改進和完善。

3.1處理措施及效果對比

1號發電機處理措施如下：①下線過程中強化端部間隙調整，尤其是電壓差較大的換相線棒之間斜邊間隙，嵌線過程中除檢查端頭處高差、徑向、周向偏差外還應控制斜邊間隙大小，原則上不得小于設計間隙的12 mm。②端部斜邊墊塊安裝時，線棒和墊塊之間適形氈現場裁剪充分考慮安裝時的拉升變形，且在浸漬的防暈材料半干時安裝，斜邊墊塊綁扎時收尾采用膠粘結方式。③端箍改用適形更好的絕緣軟端箍，綁扎固定后再注膠固化，充分消除端箍和線棒之間間隙。端箍綁扎時進行攔腰綁扎，使綁帶與絕緣表面貼服。④斜邊墊塊、槽口墊塊以及端箍綁扎時，對綁帶無法貼合有間隙的地方用絕緣材料和膩子進行填塞消除間隙。⑤引線部位手包絕緣未固化前用毛玻璃或環氧板壓平，確保與相鄰線棒間距離。⑥噴涂防暈漆前對端部所有尖角、毛刺，線棒絕緣表面綁扎時遺留的膠瘤等進行打磨、清理，包括綁帶、適形材料的表面、綁帶邊緣等。⑦防暈漆均勻噴涂2遍、確保整個端部按防暈要求完全覆蓋，包含上下層之間、斜邊墊塊、端箍等部位無遺漏，防暈漆干后對噴漆時產生的滴掛等進行清理。

由于2號發電機線棒未拆除，只能在原工藝的基礎上進行局部改善。2號發電機處理措施如下：①針對紫外成像儀和肉眼發現的電暈點、毛刺、尖角位置進行清潔并打磨到防暈層，之后重新覆蓋防暈材料。②斜邊墊塊部位存在嚴重間隙、綁帶翹卷部位拆除墊塊周圍的玻璃絲帶，存在的間隙用絕緣膩子填充并重新包扎，綁帶收尾采用粘結方式。③線棒與端箍間電暈放電點打磨清潔，間隙較大處用聚酯氈浸漬防暈樹脂填塞、其余部位用膩子填充；處理過部位涂刷防暈漆2遍，處理過的電暈點涂刷表面漆1遍。④繞組引線手包絕緣部位采用套絕緣盒灌注方式，充分保證了周圍間隙。⑤上、下端部相間線棒全部增加斜邊墊塊；整個端部繞組噴涂防暈漆2遍；表面覆蓋漆1遍。

處理效果對比如表1。

表1　電暈處理結果對比

3.2總結分析

通過比較分析，改造后電暈試驗紫外成像檢測結果與2號機比較1號機效果較好。主要原因是1號機改造更徹底對繞組端部施工工藝控制到位，2號機改造未拆除重下線，而是在原基礎上對施工工藝進行改善，部分措施無法實施。如斜邊間隙調整、層間及下層線棒尖角毛刺間隙處理等。改造完成后2臺機運行電壓下端部電位分布均得到了很好的改善，通過運行1年后對2號機檢查結果看效果較好，除少數個別工藝較難改善的點外，其余長期運行電壓下產生的電暈電腐蝕、局部放點已消除。而1號發電機運行至今端部未發現異常。

4結語

電機的防暈主要是線棒槽部對槽壁不放電，線圈端部不發生電暈，出廠前單只線棒起暈電壓達到或超過標準指標，安裝后滿足1.1 UN電暈試驗不起暈，更要滿足長期運行電壓下防暈性能可靠，不發生局部放電、電暈電腐蝕現象。從電暈處理經驗看，無論是改善施工工藝還是改善運行電壓分布，單從一方面著手很難徹底解決電暈問題，但無論設計、施工哪一方面出問題均可能導致電暈。電機繞組運行電壓分布均勻是相對的，無論電機繞組接線如何設計，都存在異相線棒和同相線棒、繞組首端和尾端、雙層繞組上下層之間異相線棒等電壓差較大的地方。安裝工藝要求越高，施工難度就越大，指望過高的工藝要求解決電暈也不現實，解決高壓電機電暈問題仍需從設計、制造、安裝、檢修維護各階段多方面考慮、綜合治理。

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作者簡介：楊增杰（1982-），男，工程師，從事水電廠電氣一次設備檢修工作。

收稿日期：2015-11-09

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.009

中圖分類號：TM303

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0024-05