水輪發(fā)電機定子線棒表面局部放電分解氣體產(chǎn)生規(guī)律研究*

張 萌

(河南牧業(yè)經(jīng)濟學院,河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著水電能源開發(fā)力度的增大,作為水電站的核心設(shè)備的水輪發(fā)電機單機容量也在不斷增加,其額定電壓目前已達到23kV。這對發(fā)電機的設(shè)計、制造及運行維護帶來了挑戰(zhàn)。水輪發(fā)電機的工作可靠性很大程度上取決于定子線棒的絕緣情況,定子線棒絕緣損壞是水輪發(fā)電機故障的重要原因,而定子線棒絕緣損壞主要是電、熱、機械和環(huán)境等方面的影響,其中主要原因是局部放電[1]。水輪發(fā)電機工作環(huán)境濕度大,隨著工作電壓的提高,其局部放電現(xiàn)象越來越普遍。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計,定子線棒局部放電主要有三種形式,分別為線棒R彎部放電、槽內(nèi)放電和線棒層間放電。電暈會使定子線棒放電部位空氣電離,產(chǎn)生臭氧(O3)以及氮氧化合物,氮氧化合物又會和空氣中的氧氣及水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生硝酸,臭氧和硝酸都有很強的腐蝕性,會腐蝕定子線棒表面材料,破壞線棒的主絕緣[2]。電暈發(fā)生時會產(chǎn)生光、聲、熱、電、氣體等,因此可以通過監(jiān)測來實現(xiàn)對定子線棒電暈的在線檢測。目前,發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測的主要方法有電測法、聲測法、光學檢測法等,但由于發(fā)電機工作環(huán)境噪聲大,且局放位置難以確定,傳感器的安裝還會影響發(fā)電機內(nèi)部電磁場的分布,這就制約了以上傳統(tǒng)方法對局部放電的檢測效果[3]。

定子線棒發(fā)生表面局部放電時會產(chǎn)生特征氣體,因此使用氣體傳感器對定子線棒電暈特征氣體進行檢測,可以用來檢測水輪發(fā)電機定子線棒電暈[4]。目前,氣體檢測法在油中溶解氣體分析和GIS在線監(jiān)測中已經(jīng)有了比較成熟的應(yīng)用[5-7]。相對于電測法和聲測法,氣體檢測法不易受電磁信號、電磁振動等干擾;由于氣體具有流動性,光測法檢測不到位置的放電,可以使用氣體檢測法,且氣體傳感器可以和檢測位置分離,實現(xiàn)非接觸式、非侵入式檢測[8]。因此,使用氣體檢測法對水輪發(fā)電機定子線棒表面局部放電進行在線監(jiān)測具有天然的優(yōu)勢。

現(xiàn)有的研究對發(fā)電機定子線棒表面局部放電分解氣體的研究較少。L.Lepine、D.N.Nguyen 等人研究了水輪發(fā)電機定子槽部放電的臭氧產(chǎn)生濃度,提出可以通過臭氧濃度來反映水輪發(fā)電機故障,并認為可以通過不同位置臭氧濃度情況確定故障位置。使用氣體檢測法對水輪發(fā)電機定子線棒進行狀態(tài)監(jiān)測,需要研究定子線棒發(fā)生表面局部放電時的氣體產(chǎn)生規(guī)律。

本文搭建了放電實驗平臺,使用高靈敏度的氣體分析儀器,對水電站實際使用的新、舊定子線棒表面局部放電分解氣體產(chǎn)生規(guī)律進行研究。

1 定子線棒表面局部放電分解氣體產(chǎn)生原理

水輪發(fā)電機定子線棒表面局部放電是空氣背景下的放電,根據(jù)李康等人的研究,空氣中放電產(chǎn)生的氮氧化物濃度遠小于臭氧的濃度,且放電較弱時只能檢測到臭氧的存在,所以本研究中不再對氮氧化合物進行檢測。同時,定子線棒表面局部放電會破壞線棒表面的SiC半導電層,使主絕緣材料分解,主絕緣材料中的C元素可能會與O元素結(jié)合生成CO[9]。

空氣背景下放電產(chǎn)生的CO和O3的主要反應(yīng)路徑如表1所示,表中R1、R2、R3、R4是反應(yīng)的最初驅(qū)動力。當電場足夠強時,空氣中會產(chǎn)生能量足夠大的自由電子,這些自由電子與空氣分子碰撞會使后者電離或分解為原子。從反應(yīng)路徑可以看出,O3的產(chǎn)生和消耗在放電過程中同時存在。

表1 空氣放電衍生物主要化學反應(yīng)[11]

2 實驗系統(tǒng)與實驗方法

2.1 實驗系統(tǒng)

搭建的定子線棒表面局部放電實驗平臺如圖1所示,該平臺主要由高壓電源、放電氣室、局放檢測儀、臭氧監(jiān)測儀、CO分析儀和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)等部分組成。其中,高壓電源為額定電壓150kV的試驗變壓器,放電氣室體積為16L,使用針板電極來模擬表面局部放電,電極為黃銅材。

圖1 定子線棒放電實驗平臺

實驗中采用臭氧監(jiān)測儀、CO氣體分析儀和GC-MS對表面局部放電分解氣體分析。臭氧監(jiān)測儀型號為美國2B公司的Model106L,其分辨率為0.1ppbv。由于GC-MS的CO和O2的出峰時間重合,導致其無法有效對CO進行分析,研究中使用CO分析儀對實驗中的CO濃度進行檢測。CO分析儀型號為GXH-3011N,是根據(jù)不分光紅外線(NDIR)原理、朗伯-比爾定律和氣體對紅外線有選擇性吸收的原理設(shè)計而成。光學結(jié)構(gòu)采用氣體濾波相關(guān)技術(shù)及高靈敏度探測器,儀器對CO的檢測范圍為0～500ppmv,靈敏度為1ppmv。GC-MS型號為 GCMS-QP2010SE,可以對其他氣體產(chǎn)物進行定性與定量分析。

2.2 試樣

實驗中使用的試樣為水輪發(fā)電機使用的定子線棒,一種為新線棒,另一種為使用10年的舊線棒,舊線棒部分表面覆蓋有半導電硅膠。線棒主絕緣是以粉氧云母為基礎(chǔ)、環(huán)氧樹脂為膠粘劑、玻璃纖維補強的熱固性F級環(huán)氧玻璃粉云母絕緣,厚度為2mm。定子線棒主絕緣外表涂有SiC半導電涂層,以遏制局部放電。此外,為遏制定子槽部放電及固定線棒,在定子槽中線棒和鐵心之間注入半導電膠。沿定子線棒軸向截取40mm長線棒,剖開后去除銅導體作為試樣。

2.3 實驗方案

每次放電實驗前,拆開放電氣室并使用無水乙醇擦拭電極及氣室內(nèi)壁,待無水乙醇揮發(fā)后,將線棒內(nèi)表面朝下放置于板電極的絕緣支柱上,然后組裝放電氣室,進行定子線棒表面局部放電放電實驗。為了使局部放電發(fā)生在定子線棒表面,使用直徑2cm、高3cm的絕緣支柱支撐線棒試樣后放置于針板電極之間,針尖距離線棒表面設(shè)置為0.5mm。

打開氣閥1和氣閥2,關(guān)閉氣閥3,使氣路處于開放式狀態(tài),以模擬水輪發(fā)電機工作過程中的場景,臭氧監(jiān)測儀內(nèi)置有氣泵,可以將氣路中氣體流速維持為1L/min,氣體依次流過CO分析儀和臭氧監(jiān)測儀后,使用進樣針管將500μL氣體注入GC-MS進行分析。分別對新定子線棒主絕緣、舊定子線棒主絕緣和半導電硅膠進行表面局部放電實驗,對放電分解氣體進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 新定子線棒表面局部放電實驗結(jié)果及分析

將放電電壓設(shè)置為8.1kV,使用臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度隨時間變化如圖2所示,由圖可知,O3濃度在放電初始階段增大較快,在放電35min左右達到飽和。實驗中CO分析儀未在氣路中檢測到CO。放電后定子線棒表面出現(xiàn)明顯的電腐蝕痕跡和碳化坑,如圖3所示。

圖2 新定子線棒、試驗電壓8.1kV時O3隨時間變化曲線

圖3 放電后定子線棒的表面

3.2 舊定子線棒表面局部放電實驗結(jié)果及分析

將放電電壓設(shè)置為8.1kV,試樣換為舊定子線棒。使用臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度如圖4所示,和圖2對比可以看出,同樣的放電電壓下,舊定子線棒的O3生成速率更高。

圖4 舊定子線棒、試驗電壓8.1kV時O3隨時間變化曲線

3.3 半導電硅膠表面局部放電實驗結(jié)果及分析

將放電電壓設(shè)置為8.1kV,將舊定子線棒表面半導電硅膠置于針電極下。臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度隨時間變化如圖5所示,由圖5可知,O3濃度在放電開始后迅速增大,說明此時O3的生成速率很高,放電50min后O3濃度增速明顯緩慢。實驗后,半導電硅膠表面沒有發(fā)現(xiàn)碳化坑和電腐蝕痕跡,說明半導電硅膠具有較強的抗電腐蝕能力。

圖5 半導電硅膠、試驗電壓8.1kV時O3隨時間變化曲線

3.4 臭氧衰減測試

放電實驗后,將電壓撤去,同時關(guān)閉氣閥1和氣閥2,打開氣閥3,氣路處于封閉循環(huán)狀態(tài),O3濃度隨時間的變化如圖6所示;由圖6可知,放電結(jié)束后O3濃度迅速減小,所以對O3進行監(jiān)測,宜采用在線監(jiān)測的方式。

圖6 放電結(jié)束后O3隨時間的變化曲線

通過對新、舊定子線棒表面材料和半導電硅膠的表面局部放電實驗,O3非常適合作為定子線棒局部放電特征氣體,新定子線棒表面局部放電中O3濃度增大速率最低,半導電硅膠表面局部放電中O3濃度增大速率最高。實驗結(jié)束后,新、舊定子線棒表面有明顯的放電破壞痕跡,而半導電硅膠表面觀察不到,說明半導電硅膠有較強抗局部放電能力。實驗過程中,未檢測到CO。

4 結(jié)論

搭建了定子線棒表面局部放電實驗平臺,使用氣體監(jiān)測儀器對局部放電下的分解氣體進行了研究,得到的主要結(jié)論如下:

(1)新定子線棒和舊定子線棒主絕緣材料在局部放電作用下會發(fā)生明顯劣化,相同的條件下,舊定子線棒表面局部放電時O3的生成速率更高;(2)定子槽中填充的半導電硅膠有較強的抗電暈?zāi)芰?且在放電發(fā)生時O3的生成速率最高,易于對局部放電進行監(jiān)測;(3)O3適合作為發(fā)電機定子線棒局部放電特征氣體,但因其性質(zhì)非常活潑,必須對其進行在線監(jiān)測。

水輪發(fā)電機內(nèi)部電磁干擾嚴重,且振動較強,使用氣體檢測法可以對水輪發(fā)電機實現(xiàn)非接觸式在線監(jiān)測,具有明顯的優(yōu)勢。本文的研究結(jié)論可以為基于氣體檢測法的水輪發(fā)電機在線監(jiān)測提供一定的參考。