10kV異步電動機定子繞組電暈放電指紋分布規律的研究

李傳揚，宋建成，吝伶艷

（太原理工大學煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，太原 030024）

0 前言

高壓電動機運行環境惡劣，主絕緣承受著熱、電、環境和機械等綜合應力作用。端部絕緣是主絕緣裸露在外的部分，更容易遭受各種污垢和異物的影響，臟污在其表面積累，改變絕緣表面結構，引發端部表面電暈放電。放電過程中，絕緣表面空氣間隙被擊穿，產生熱量，該熱量會損傷主絕緣中的有機材料，與此同時，放電過程中產生的高速電子也會轟擊絕緣層，加速其劣化。放電起初表象為白色粉末附著于放電部位，這是由于在電暈放電過程中，氣體發生電離并產生臭氧，臭氧同空氣中的氮氣發生反應，其外在表現形式為白色粉末狀物質。隨著放電加劇，主絕緣將加速老化，并最終導致單相對地擊穿故障。圖1所示為太原市某污水處理廠一臺630kW，10kV水泵用三相異步電動機發生槽口電暈放電現象，放電過程中產生的白色粉末附著于線圈表面的情況清晰可見。圖2所示為一臺由于長期發生槽口放電現象，已經被迫停機維修的10kV三相異步電動機，由該圖可見，槽口的電暈放電已發展為高能量的火花放電甚至電弧放電，并將槽楔灼穿，導致單相接地故障。因此，對發生于高壓電機槽口的電暈放電發展狀況進行在線監測勢在必行，通過實時獲取槽口電暈放電信息，進行故障預警，提前安排停機維修，避免災害發生。

圖1 槽口電暈放電跡象

圖2 槽口放電導致單相接地故障

然而，完成對發生于電機端部的電暈放電進行有效地在線監測與故障預警，需要大量的試驗，學習端部電暈放電指紋并掌握其變化規律才能在局部放電監測過程中正確捕捉放電信號，評估故障程度，進行故障預警。加拿大的Claude Hudon制作了多種高壓電機端部故障模型，在實驗室環境下，結合多種應力作用，提取出相應電暈放電指紋特征[1,2]，IRIS公司的 Greg Stone結合實驗室試驗與現場監測，給出了存在于高壓電機中多種放電類型的指紋分布[3-5]；針對存在于高壓電機主絕緣端部電暈放電的研究，國內也做了一些工作，但研究重點大部分集中在放電機理論述及預防措施改善方面[6-8]，通過真機線圈試驗提取放電指紋，分析其分布狀況的研究，國內報道尚少。

本文定制了額定電壓為10kV的F級絕緣三相異步電動機定子線圈若干，對線圈端部低阻帶與高阻帶交疊部位進行單因子老化，嵌入鐵心槽模型。在電磁屏蔽試驗環境下，通過無局放升壓變壓器施加電壓，誘發線圈產生端部槽口電暈放電，通過FLIR紅外熱像儀對槽口放電發熱部位進行觀察，利用1400pF無局放耦合電容器作為局部放電采集儀器，通過哈弗萊DDX9101局部放電分析儀觀察并分析了線圈槽口電暈放電指紋隨電壓的發展趨勢。該研究能夠為10kV電動機絕緣在線監測和故障預警提供判斷依據。

1 放電機理

氣體擊穿概率與氣體所處電場強度成正比[9]，沿槽口表面最大場強出現在低阻帶末端[10]。如圖3所示，高阻帶沿線圈從槽口低阻帶終端向繞組端部擴展，并與低阻帶終端呈反錘形交疊，目的為了保證高阻帶通過交疊部位在電氣上接地。如果交疊部位受外界各種應力作用，連接電阻升高，這將在交疊部位產生附加電阻性電流損耗，使該部位溫度升高，形成局部熱區，加速交疊部位絕緣老化，最終將導致交疊部位電阻升高[11]，其電位上升到接近繞組對地電位，此時，在交疊部位所處小段區域上便存在了很高的電勢差，使該部位產生致密的電場，導致放電發生。圖4所示為交疊部位老化前后，通過靜電電壓表測得線圈從槽口向端部延伸的電位變化趨勢。其中，交疊部位老化方式為剝除交疊處的低阻帶和高阻帶，露出主絕緣，來模擬現實中交疊部位電阻無窮大情況。如圖可知，高阻帶與低阻帶良好的交疊，是端部表面電位平滑升高的重要保障，這也就優化了槽口電場分布，使其均勻分布于線圈端部，如果交疊部位電阻過大，將使該處產生較大電勢差，電場線密集度大大增加，最終超過該處起始放電場強，引發放電。

電暈放電一旦發生，將會使周圍的氣體電離，外在表象為有白色粉末狀物質覆蓋于交疊部位表面[12]。同時，放電電離出的高速電子也將轟擊槽口主絕緣，導致有機絕緣化學鍵斷裂，隨著放電加劇，局部溫度也在不斷升高，絕緣老化加速，最終發生單相主絕緣對地擊穿故障。

2 試驗方案

2.1 試驗線圈

電動機定子線圈絕緣材料及制作方式是由電動機額定電壓和絕緣等級決定的，與電動機容量和尺寸關系不大。試驗線圈取F級絕緣10kV三相異步電動機新繞制的線圈若干，如圖5所示。線圈由山西昌生電磁線有限公司專業人員手工制作完成。線圈主絕緣材料為環氧云母帶，直線部分半疊包低阻帶一層，與其搭接的SiC高阻帶采用單層半疊包工藝，交疊部位寬度1cm，能反映國內目前F級絕緣、10kV電動機的絕緣特性，具有代表意義。線圈制造工藝流程如圖6所示。

2.2 定子鐵心槽部模型

定子鐵心槽部模型由工業硅鋼片疊壓而成，槽深43mm，槽長通過適當增減硅鋼片數量來調節，以使線圈端部交疊部位距出槽口處2.5cm，然后配以相應槽底支撐鐵板緊固裝置。嵌入線圈時，將槽底部墊環氧玻璃布板以調節槽深，其上疊放一片環氧防電暈玻璃布板，將線圈放入，滑動活動槽齒使其緊靠線圈一側，同時調節緊固疊片數量，使活動槽齒與線圈緊密接觸。在保證線圈與左右兩側槽壁之間無多余空隙后，通過螺母上緊活動槽齒緊固裝置，確保線圈左右無法在外力下與槽壁發生相對運動。槽楔材料為磁性環氧玻璃引拔槽楔，用橡皮錘從開口槽敲入，線圈同槽楔之間間隙通過填充環氧防電暈玻璃布板來調節，保證線圈在垂直方向上緊固，使其不會在外部應力作用下發生松動。圖7為槽部模型示意圖。

圖7 定子鐵心槽部模型

2.3 試驗方法

試驗前，首先對試驗線圈外觀進行檢查，因為絕緣表面任何異物堆積、局部損傷，以及表面由于制造不當、搬運等外力作用變得不平，都有可能導致線圈在加壓后在該位置產生密集電場，導致局部放電，對模擬故障指紋造成干擾[13]。

確保沒有外部損傷后，將線圈按照 2.2節所述方法嵌入槽內，緩慢加壓至15kV，待指紋穩定后，觀察放電指紋分布，若只出現主絕緣內部放電特征，即正負半周放電次數基本相同、放電量大致相等，放電最大值不超過600pC，則可作為試驗用線圈。圖8所示為完好線圈在10kV下內部放電指紋，落于圈內類似于兔耳朵形狀的指紋分布，是由主絕緣內部氣隙壁的狀態及氣隙內氣體決定的[14]，屬于正常內部放電，對試驗沒有影響。該方法旨在排除由于線圈缺陷導致的放電指紋干擾。

取通過測試的線圈10根，剝離低阻帶和高阻帶的交疊部位，露出主絕緣，剝離過程中應特別注意只對低阻帶和高阻帶進行破壞，避免損傷到主絕緣。圖 9為剝離交疊部位后的線圈。

將處理好以后的線圈依次嵌入鐵心槽部模型中，進行加壓試驗測試。為得到穩定的局部放電信號，本文在施加 6kV電壓（10kV電動機運行中定子對地電壓）1h后，依次在4kV、5kV、6kV、7kV、8kV、9kV、10kV時進行采集，每次采集時間300s，旨在得到相應電壓下端部電暈放電指紋變化規律。

2.4 測量系統

測試系統如圖10所示。其中，Cx為試驗線圈；R為保護電阻；BPF為帶通濾波器，用來濾除電源中工頻以外的干擾信號；LPF為無局放隔離變壓器低通濾波器，用來濾除前級設備混入的高頻干擾；T為無局放充氣式試驗變壓器，保證了局部放電信號源的可靠性和唯一性；Cc為1200pF耦合電容，為局部放電信號產生一高頻通路；A為瑞士 HAEFELY公司生產的DDX9101型號局部放電分析儀，能夠呈現局部放電幅值相位二維指紋譜圖、三維譜圖和最大放電量，并通過遠程計算機顯示和儲存；虛線框為屏蔽室。由于局部放電為寬頻帶的高頻放電現象，其頻段范圍可位于幾兆到幾十吉，由于試驗在電磁屏蔽室進行，外界干擾低于 2pC，無需選擇特定頻帶以避開外界干擾，本試驗測量頻帶采用80kHz～500kHz。

3 試驗結果分析

在更換試驗線圈進行試驗過程中，相同電壓下的最大放電量會隨著試驗線圈不同而發生改變，最終浮動在幾千到幾萬皮庫，但其指紋隨電壓變化規律與分布狀況大致相同，通過把握其特征，能夠很好地辨別出槽口電暈放電。由于篇幅所限，此處僅對其中一組線圈數據進行分析。

圖11所示為4kV、6kV、8kV和10kV下單根線圈放電指紋分布。

由圖可知，在4kV時，開始出現電暈放電的特征：外施電壓負半軸正放電（q+）的最大放電量和放電次數都較外施電壓正半軸負放電（q-）占優勢，放電指紋呈現迅速上升趨勢。當電壓升高到 6kV以后， q+的最大放電量（Qmax+）已經升高到12000pC，q-的最大放電量（Qmax-）也升高到6000pC。隨著電壓繼續升高，正負放電的最大放電量持續增長，但 q-的增長速度相對較快，并于 10kV時達到了 25000pC，有趕超Qmax+的趨勢，此時，Qmax+為 30000pC。該最大放電量增長規律與槽放電指紋隨電壓變化分布規律大致相同。圖12所示為正負最大放電量隨電壓變化曲線圖。

不同于槽放電中q+具有陡峭的上升沿的特征，槽口電暈放電q+上升沿始終平緩，并且隨電壓的升高傾斜度變化不大，q+上段包絡線類似橢圓。

隨著電壓升高，正負放電脈沖的初始放電相位有向左偏移的跡象。該現象的出現，主要是由于主絕緣內部氣隙放電發生的相位偏移導致的，具體原因如下：當主絕緣氣隙電場強度達到放電起始場強（Einc）時，會在氣隙內部產生局部放電。位于氣隙壁上的場強，是由外施電壓和氣隙壁前一次放電殘留電荷所產生電場疊加而成的。所以，即使電壓在過零點處，氣隙中還是存在電場的，而且隨著電壓的升高，該電場足以激發電荷產生放電。而槽口電暈放電主要集中于工頻相位 30°～120°和 210°～300°內。

除了放電指紋上的特征外，槽口電暈放電外在的一些特征也能夠幫助識別。具體如下：

當外施電壓達5kV時，能夠聽到咝咝放電聲，同時可以聞到臭氧的氣味。通過紅外熱像儀對測試線圈進行觀察，端部搭接處紅熱現象清晰可見，這是由于交疊部位界面縫隙爬電與局部放電所致。其中，由于棱角處曲率相對較小，面電荷密度較高，附近的場強也相對較高，是局部放電易于發生的部位，局部放電產生的熱量將導致該處溫度迅速升高，加速絕緣老化，最終導致擊穿。放電熱點分布位置如圖13所示。

圖12 正負最大放電量隨電壓變化曲線

圖13 放電位置紅外熱像圖

4 結論

本文建立了10kV三相異步電動機定子鐵心模型，對真機線圈端部交疊部位進行破壞，在實驗室誘發了槽口放電，并通過提取放電指紋，研究分布規律，具體結論如下：

（1）槽口電暈放電在從誘發到發展過程中，最大放電量和放電次數始終呈現q+較q-占優勢的特征，且q+上段包絡線呈橢圓形；

（2）槽口電暈放電在 4kV時開始發生，最大放電量隨電壓升高不斷增長，可達幾萬皮庫；

（3）不同情況下，其最大放電量數值可能有所不同，但其指紋呈特定幾何外形且隨電壓變化的趨勢不會發生改變；

（4）放電相位的左移，主要是由于內部放電相位左移導致，槽口電暈放電主要集中于 30°～120°和210°～300°相位；

（5）發生于槽口棱角處的局部放電能夠產生高溫，對該處絕緣造成不可逆轉的損傷，大大加速絕緣老化。

[1] C.Hudon, M.Bélec.Partial Discharge Signal Fingerprint for Generator Diagnostics[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2005.

[2] Lévesque, M., Hudon, C., Bélec, M., David, é.Measurements of Slot Partial Discharges with an Antenna during Accelerated Aging[C].2009 IEEE Electrical Insulation Conference, 2009.

[3] G.C.Stone.Relevance of Phase Resolved PD Analysis to Insulation Diagnosis in Industrial Equipment.2010 International Conference on Solid Dielectrics[J], 2010.

[4] G.C.Stone, C.V.Maughan, D.Nelson, R.P.Schultz.Impact of Slot Discharges and Vibration Sparking on Stator Winding Life in Large Generators[J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2008.

[5] G.C.Stone, Rick Wu.Examples of Stator Winding Insulation Deterioration in New Generators[C].Proceedings of the 9th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,2009.

[6] 樂波, 李儉, 閆波, 謝恒堃, 蔣雄偉, 宋建成.用最大放電量增加率評定定子絕緣老化狀態[J].高電壓技術, 2010, 27(1):1-3,81.

[7] 宋建成, 樂波, 謝恒堃.大電機主絕緣多因子老化試驗中試樣線棒端部防暈技術的研究[J].電工技術學報, 2000, 15(3) :1-5.

[8] 余維坤.大型發電機電暈特性及處理技術研究[D].重慶大學, 2004.

[9] 梁曦東, 陳昌漁, 周遠翔.高電壓工程[M].清華大學出版社, 2003.

[10] 謝恒堃.電氣絕緣結構設計原理（下冊）[M].機械工業出版社, 1981.

[11] G.C.Stone, E.A.Boulter, I.Culbert, H.Dhirani.Electrical Insulation for Rotating Machines[M].Piscataway, NJ: IEEE Press, 2004.

[12] Belec, M, Hudon, C..Long Term Aging Test on Stator Bars exposed to End Arm Discharges[C].Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1998.

[13] El-Kishky, H.Experience with development and evaluation of corona-suppression systems for HV rotating machines[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2002, 9(4):569-576.

[14] Wu, K., Ijichi, T., Kato, T., Suzuoki, Y., Komori, F.,Okamoto, T.Contribution of surface conductivity to the current forms of partial discharges in voids[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005,12(6):1116-1124.