大型水泵電機定子線棒電暈現(xiàn)象的分析與處理

韓建波，王吉生，王曉宇

（山西萬家寨水控水資源有限公司偏關分公司，山西 偏關 036400）

1 引言

電暈放電，是指帶電體表面在氣體、液體等介質(zhì)中發(fā)生局部放電的現(xiàn)象，通常發(fā)生在高壓導線的周圍和高壓帶電體的尖端附近等電場強度很好的不均勻電場中，同時產(chǎn)生O3、N2O、NO2等物質(zhì)。

10 kV 高壓電機定子線圈在槽口處，線棒的絕緣表面電場分布極不均勻。當局部場強達到臨界值時，氣體就會發(fā)生局部游離，在游離處產(chǎn)生藍色暈光，即電暈現(xiàn)象。電暈的產(chǎn)生伴隨著熱、O3和N2等物質(zhì)的產(chǎn)生，O3與空氣中的N2發(fā)生化學反應形成N2O。經(jīng)過與電機內(nèi)部水蒸氣的結(jié)合，形成酸性化合物，附著在電機內(nèi)部的線棒表面絕緣材料和其他金屬部件上腐蝕絕緣，造成絕緣老化降低絕緣性能，極易發(fā)生絕緣擊穿、線棒短路、定子燒毀等嚴重電機事故。

此外，因熱固性絕緣表面與槽壁接觸不良時，在電機電磁振動的作用下，將導致槽內(nèi)間隙產(chǎn)生火花放電。該火花放電造成的局部溫度升高，導致電機定子線棒膠粘劑變質(zhì)、碳化，股線絕緣性能降低和云母老化變白，進而使股線松散和絕緣老化。將使絕緣表面受到嚴重侵蝕，破壞局部絕緣材料性能，當局部絕緣材料的表面損壞后，電暈放電將集中于該部位并向絕緣內(nèi)部延伸，進而發(fā)生絕緣擊穿、電機短路，嚴重威脅機組的安全穩(wěn)定運行和運行人員的生命安全。

2 問題描述

山西萬家寨水控水資源有限公司偏關分公司下轄的五座大型泵站，承擔著向首都提供生態(tài)供水和向山西省內(nèi)太原、朔州、大同等地提供生活、生態(tài)和工業(yè)用水的重要任務。其中，總一、二泵站的設計流量為48 m3/s,年供水量12 億m3，每座泵站安裝10 臺立式單級單吸離心泵，8 工2 備，單泵流量6.45 m3/s，配套電機功率12 MW，總裝機容量為120 MW。

機組電機自2001 年投運以來一直運行良好，近期根據(jù)年度大修計劃，對轄區(qū)內(nèi)部分機組進行大修時，發(fā)現(xiàn)多臺機組電機存在定子線棒不同程度的電暈腐蝕現(xiàn)象，導致部分定子線棒槽口處出現(xiàn)低阻防暈帶大面積脫落，云母裸露，如圖1、圖2 所示。如不及時處理，將導致絕緣擊穿、線棒短路，造成機毀人亡的重大安全事故。

圖1 低阻防暈涂層大面積脫落

圖2 低阻防暈涂層部分脫落

3 原因分析

3.1 定子線棒電暈原理分析

電機定子線棒電暈放電主要發(fā)生在定子線棒的出槽口處，該位置屬于套管結(jié)構(gòu)，是繞組端部感應電荷的重要釋放通道，電場強度非常集中。一般情況下，3 kV/mm 左右的介電強度才能擊穿空氣，但線棒槽口處電場分布極不均勻，很容易產(chǎn)生擊穿強度電壓，導致電暈現(xiàn)象的發(fā)生。

定子線棒的端部在額定電壓下，其線棒絕緣與線棒之間的間隙處于強電場之中，由于線棒絕緣的介電常數(shù)εd和間隙介質(zhì)的介電常數(shù)εa對比而言,顯然εd>εa,間隙的場強Ea和電壓Ua要遠大于線棒絕緣中的場強Ed和電壓Ud，該電場強度將按照比例分配到線棒的主絕緣和空氣氣隙上，間隙的場強可用以下公示表示：

式中：Ea為線棒結(jié)緣與線棒間隙中的電場強度;其中εa和εd為間隙介質(zhì)和主絕緣的介電常數(shù)；d為線棒主絕緣的單邊厚度；a為兩線棒間的空氣間隙；U0為運行電壓。當間隙場強Ea等于或超過間隙介質(zhì)的擊穿場強時,將產(chǎn)生電暈放電。

由此可見，當為線棒結(jié)緣與線棒間隙場強Ea等于或大于間隙擊穿場強時,就會發(fā)生電暈放電。綜上所訴：對于電機定子的端部線棒,導致電暈放電的主要原因為：主絕緣的介電常數(shù)εd過大、線棒間距a設計過近、線棒防暈設計或大修工藝不良等。

3.2 定子線棒電暈成因分析

（1）出廠時，線棒表面涂刷的防暈漆和纏繞的防暈帶搭接工藝不到位，從而導致線棒表面的絕緣漆凝固后形成細小毛刺，該毛刺導致定子線棒場強分布不均勻，降低空氣擊穿強度，導致尖端放電的發(fā)生。

（2）大修時發(fā)現(xiàn)發(fā)生電暈現(xiàn)象的機組，普遍存在定子線棒表面油污嚴重現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)其原因為定子槽口的低阻層表面長時間附著油污，導致低阻層絕緣強度下降或受損，在其受損部位就會產(chǎn)生很大的電壓，畸變場強通過油污綁繩和游離空氣發(fā)生對地放電，從而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

（3）電機的電暈與周圍溫濕度有關，該水泵電機安裝與地處黃河大峽谷的東岸巖體下140 m 處，經(jīng)地下交通洞與黃河東岸相通，冬春季節(jié)潮濕的水汽經(jīng)交通洞進入廠房，導致設備受潮結(jié)露，盡管已采取相應的電機除濕措施，但仍有部分水汽進入。導致電機定子線棒表面電阻率降低，起暈電壓降低，從而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

4 電機線棒電暈處理

4.1 外觀檢查及電暈試驗

經(jīng)對該電機進行解體后大修過程中發(fā)現(xiàn)部分線棒的低電阻防暈涂層有部分脫落和破損如圖圖3 所示，并將有破損或脫落的線棒對應的C 相進線，進行加壓試驗。當C 相電壓增加至14.2 kV 時，電暈紫外線檢測儀檢測到的光子數(shù)值為11 670 個。如圖4 所示，可初步斷定該防暈層脫落處發(fā)生電暈現(xiàn)象。

圖3 低阻防暈涂層脫落

圖4 電暈檢測結(jié)果

4.2 電暈故障處理

經(jīng)仔細檢查發(fā)現(xiàn)該電機定子線棒的不同部位，有多處低電阻防暈層出現(xiàn)破損和脫落，因此，特制定對該電機的電暈放電區(qū)域進行防暈層處理方案，修復故障點的防暈層。

先將存在電暈故障的點，逐一確定并做好標記，然后用棉白布仔細清理掉故障點周圍的油污及破損的防暈層，如圖5；用1 000 目的細砂紙進行緩慢研磨防暈層脫落及損傷部位，并將處理周圍擴大到損傷區(qū)域周圍15 mm 處，磨掉周圍的白灰色磁漆，直到露出灰色的防暈層為止；然后用白棉布蘸丙酮清洗研磨區(qū)域，研磨區(qū)域使用小型涂漆刷均勻涂刷3遍低阻防暈漆。理論要求每遍涂刷需間隔8 h 及以上，但受工期及施工環(huán)境影響，為進一步提高工作效率、保證施工質(zhì)量，采用烘干機進行漆面烘干處理，從而使實際涂刷間隔縮短為3.5 h。經(jīng)過3遍涂刷后，靜置風干5 h，然后在其表面纏繞低阻防暈帶。處理后的防暈層如圖6 所示。

圖5 油污處理

圖6 處理后效果

待低電阻防暈帶靜置風干6 h 后，經(jīng)檢查其干燥程度已具備電暈試驗的條件后，然后對該電機的C 相加電進行電暈試驗。當電壓逐漸增加至該定子額定電壓的150%時，使用電暈紫外線成像儀進行檢測，發(fā)現(xiàn)此時的光子數(shù)由原來故障前的11 670 個變?yōu)?，如圖7 所示。因此，可以得出結(jié)論：經(jīng)重新修復處理低阻防暈層后，電暈故障消失，線棒根部的防暈功能恢復正常。

圖7 當C 相電壓為15 kV 時的光子數(shù)值

5 預防措施

5.1 加強電機出廠檢驗和大修驗收的質(zhì)量關

對于新購置的電機，要加強出廠廠驗；增加防電暈紫外線成像儀檢測項目，并及時對比檢測數(shù)值和電壓。

對于大修后的電機，要嚴把驗收質(zhì)量關；轉(zhuǎn)子回裝前，要及時組織人員進行定子防電暈試驗的驗收。

5.2 加強電機上導、下導油槽油污收集能力

經(jīng)實踐證明，定子線棒表面附著的油污是導致電暈的一項重要原因；因此要加強電機上下導油槽油污收集器的收集能力，減少油污進入。

5.3 加強電機周圍環(huán)境溫、濕度控制

經(jīng)實踐證明，電機周圍的溫、濕度過大是導致電暈的一項重要原因；因此要控制電機周圍溫、濕度變化，加強除濕機的投入，盡量為電機提供一個恒溫恒濕的工作環(huán)境。

5.4 增加電機局放檢測裝置進行實時檢測

我司在后續(xù)的技改過程中，陸續(xù)增加了同步電機在線局部放電檢測系統(tǒng)（簡稱局放），該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動定時監(jiān)測，測量放電信號的幅值、極性、放電的相位、放電的次數(shù)等基本的局部放電表征參數(shù)及各類統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)，生成二維、三維放電譜圖、工頻周期放電圖、提供放電發(fā)展趨勢圖、歷史報表和預警報警燈功能。進一步加強對電機局部放電的檢測和報警，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理。

6 結(jié)語

通過對大型水泵電機定子線棒電暈放電故障的解決，系統(tǒng)闡述了電暈形成原因分析、故障現(xiàn)象、處理措施以及驗證結(jié)果，并對電暈故障的成因結(jié)合實際運行工況進行實質(zhì)性剖析并制定預防措施。經(jīng)后續(xù)的實踐檢驗，上述電機定子電暈故障的處理措施和預防措施效果良好。可作為同行業(yè)相類似的水電站或泵站大型電機定子線棒電暈故障的處理，提供一些有用的工作借鑒和參考價值。