高壓水輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部電暈產(chǎn)生原因分析和電場(chǎng)計(jì)算

摘 要：文章對(duì)高壓水輪發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)的定子繞組端部電暈產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并通過有限元方法對(duì)定子繞組端部電場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。模擬計(jì)算了定子繞組端部在機(jī)組實(shí)際安裝過程中表面綁扎結(jié)構(gòu)及表面絕緣漆不規(guī)則形狀對(duì)局部電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，并提出消除定子端部繞組電暈的方法。

關(guān)鍵詞：紫外成像技術(shù)；定子繞組端部；電暈放電；不均勻電場(chǎng)計(jì)算

大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組容量不斷增大，定子繞組額定電壓不斷升高。已經(jīng)建成運(yùn)行的大型空冷水輪發(fā)電機(jī)容量達(dá)到700MW，額定電壓達(dá)到18-20kV。空冷機(jī)組定子繞組端部絕緣為定子線棒主絕緣，定子繞組端部綁扎結(jié)構(gòu)及定子繞組周圍空氣共同組成，因?yàn)榭諝獾慕殡姵?shù)小于定子繞組端部其它絕緣材料，所以定子繞組端部電壓的升高將首先在空氣中產(chǎn)生放電現(xiàn)象。空氣中放電的初始狀態(tài)一般稱為電暈發(fā)電。GB/T 7894-2009中規(guī)定額定電壓為6000V及以上的水輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)使用地點(diǎn)在海拔高度為4000m及以下時(shí)，其定子單個(gè)線棒（線圈）應(yīng)在1.5倍額定線電壓下不起暈；整機(jī)耐電壓時(shí)，在1.05倍額定線電壓下，端部應(yīng)無明顯的金黃色亮點(diǎn)和連續(xù)暈帶。近年來國(guó)內(nèi)外開展用紫外線成像技術(shù)檢測(cè)電暈放電狀況，紫外成像技術(shù)的應(yīng)用可以避免傳統(tǒng)方法引入的肉眼誤差，使測(cè)量結(jié)果更加精確，便于定量分析放電強(qiáng)度。大型高壓水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)過程中定子繞組絕緣表面狀態(tài)不規(guī)則的電場(chǎng)分布，都可能形成電暈放電。空氣中局部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大于其起始放電場(chǎng)強(qiáng)，空氣中產(chǎn)生電暈放電。

1 定子繞組端部電暈實(shí)例及原因分析

水電站700MW大型水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行一年后，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)其定子繞組端部表面出現(xiàn)不同程度的放電情況，每隔八根線棒中有兩根線棒放電較嚴(yán)重。在定子繞組上分相施加19.8kV工頻交流電壓并采用紫外成像儀對(duì)定子繞組進(jìn)行了檢測(cè)，可見明顯紫外線發(fā)生，局部產(chǎn)生紫外線強(qiáng)烈。

由于定子繞組出現(xiàn)放電痕跡部位集中在線棒間電位差較大處，說明定子繞組電暈產(chǎn)生前提是線棒間電位差達(dá)到一定值。產(chǎn)生放電痕跡有規(guī)律但并不出現(xiàn)在所有電位差較大的線棒間，電位差較大定子繞組線棒間端部綁扎也并不是都有放電痕跡，說明發(fā)電發(fā)生原因與線棒表面狀態(tài)也有一定關(guān)系。

2 有限元法計(jì)算定子繞組端部電場(chǎng)

根據(jù)以上分析利用有限元法計(jì)算了線棒間電場(chǎng)強(qiáng)度和局部表面狀態(tài)不良時(shí)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。

有限元法利用變分原理對(duì)電場(chǎng)計(jì)算中的拉普拉斯方程和泊松方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將連續(xù)的求解區(qū)域離散成一組網(wǎng)格的組合體，用在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，近似函數(shù)離散為未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

定子繞組電暈發(fā)生點(diǎn)為電場(chǎng)強(qiáng)度集中點(diǎn)計(jì)算重點(diǎn)考慮線棒端部平行段間電場(chǎng)情況，定子繞組端部線棒結(jié)構(gòu)相同，沿定子整個(gè)圓周對(duì)稱分布，所以只需對(duì)相鄰兩個(gè)線棒之間的電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。考慮線棒間電位不同，不考慮單根定子線棒端部防暈層時(shí)，計(jì)算模型簡(jiǎn)化為線棒導(dǎo)線、定子線棒主絕緣、定子絕緣繞組端部綁扎結(jié)構(gòu)及線棒周圍空氣。根據(jù)某型高壓水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸，設(shè)定計(jì)算模型線棒間距為20mm，線棒主絕緣為5mm，介電常數(shù)為5。

選取了某臺(tái)大型高壓水輪發(fā)電機(jī)線棒間電位差為3.181kV和1.1472kV時(shí)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算時(shí)假設(shè)模型中下面線棒接地，上面線棒中的電位差峰值為■倍電壓有效值，即4.498kV和1.6221kV。計(jì)算結(jié)果所示為電壓為4.498kV時(shí)電位分布情況，計(jì)算結(jié)果為線棒間電位差為4.498kV時(shí)沿垂直線棒方向通過線棒和綁扎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電位分布曲線， 6為線棒間電位差為4.498kV時(shí)為沿垂直線棒方向通過線棒及周圍空氣內(nèi)部的電位分布曲線。由計(jì)算結(jié)果可以看出，線棒周圍空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度大于線棒和綁扎結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)強(qiáng)度。

計(jì)算電壓峰值為4.498kV時(shí)線棒電位分布，為垂直線棒方向通過線棒和綁扎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電位分布，垂直線棒方向通過線棒及周圍空氣內(nèi)部的電位分布曲線。線棒間電位差為4.498kV時(shí)線棒及綁扎結(jié)構(gòu)和周圍空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。計(jì)算結(jié)果可以看出定子繞組綁扎材料與線棒間夾角處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，最大值為0.2724kV/mm，低于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，正常情況下不會(huì)發(fā)生電暈，實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)相同相線棒表面狀況良好時(shí)也觀察不到電暈現(xiàn)象的發(fā)生。

計(jì)算線棒間施加電壓差峰值為1.6221kV時(shí)線棒電位分布情況，垂直線棒方向通過線棒和綁扎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電位分布，垂直線棒方向通過線棒及周圍空氣內(nèi)部的電位分布曲線，電壓峰值為1.6221kV時(shí)線棒及其周圍空氣中電場(chǎng)強(qiáng)度，線棒綁扎結(jié)構(gòu)處電場(chǎng)強(qiáng)度分布，可以看出線棒綁扎結(jié)構(gòu)與線棒結(jié)合部位電場(chǎng)強(qiáng)度較大，為1.127kV/mm。

3 定子繞組端部不規(guī)則形狀處電場(chǎng)計(jì)算

定子繞組安裝為膠漆類綁扎帶固定結(jié)構(gòu)，較難避免定子繞組端部產(chǎn)生不規(guī)則形狀，定子繞組端部綁扎帶刷膠固化后綁扎帶邊緣產(chǎn)生毛刺狀形狀，定子安裝線棒表面膠漆類涂刷膠在線棒表面，計(jì)算時(shí)定子繞組端部主絕緣和綁扎固定結(jié)構(gòu)介電常數(shù)取為5。

線棒安裝后表面可能存在毛刺，膠漆形成的小凸起，所示模型為模擬線棒間存在毛刺，小凸起等不規(guī)則形狀時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度。由此可見在毛刺和小凸起頂端附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大，達(dá)到2.37kV/mm。

計(jì)算結(jié)果所示為線棒間存在半圓形凸起時(shí)線棒電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，由計(jì)算結(jié)果可見電場(chǎng)強(qiáng)度最大處在半圓形凸起的頂端，達(dá)到1.233kV/mm。

計(jì)算結(jié)果所示為定子繞組端部綁扎結(jié)構(gòu)和線棒交接處存在毛刺時(shí)線棒電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，由計(jì)算結(jié)果可見，電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)3.185kV/mm。

經(jīng)過計(jì)算得出定子繞組線棒間存在4.498kV和1.6621kV電壓時(shí)定子線棒及周圍最大場(chǎng)強(qiáng)分別為0.2724kV/mm和1.127kV/mm。定子線棒端部綁扎結(jié)構(gòu)處電場(chǎng)強(qiáng)度最大。在定子繞組端部線棒間存在1.6621kV電壓時(shí)，線棒表面不規(guī)則形狀毛刺和半圓形凸起處電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分別為2.37kV/mm和1.233kV/mm，定子線棒端部綁扎結(jié)構(gòu)和線棒結(jié)合處表面有毛刺時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，達(dá)到3.185kV/mm。

在標(biāo)準(zhǔn)情況下，空氣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度工程上計(jì)算為3kV/mm，空氣中電場(chǎng)強(qiáng)度大于此值，空氣將開始發(fā)生局部放電，其起始階段即稱為電暈。電壓達(dá)到一定值時(shí)，線棒端部綁扎結(jié)構(gòu)處存在毛刺時(shí)最易發(fā)生電暈放電，線棒表面形狀不規(guī)則處電場(chǎng)強(qiáng)度也較大，在空氣介質(zhì)擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度降低的狀態(tài)下也可能發(fā)生電暈放電。為了防止發(fā)生電暈放電，建議機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)盡量增大線棒距離，機(jī)組安裝過程中避免線棒及綁扎結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)毛刺，尤其是線棒綁扎結(jié)構(gòu)處毛刺應(yīng)嚴(yán)格控制。處理定子繞組端部電暈方法即為清除線棒表面不規(guī)則形狀。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過有限元方法計(jì)算了定子繞組運(yùn)行時(shí)線棒間電位差較大時(shí)電場(chǎng)分布情況，線棒表面不規(guī)則形狀處電場(chǎng)強(qiáng)度。得出了運(yùn)行電壓較大的線棒表面不規(guī)則形狀為定子繞組表面產(chǎn)生電暈的主要原因。

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