發(fā)電機定子繞組端部表面電暈查找試驗的方法和標(biāo)準(zhǔn)

梅志剛，王勁松，龍 飛，雷 雨，孫士濤，宋 楠，白亞民

（華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045）

0 前言

在旋轉(zhuǎn)電機中的表面放電是指發(fā)生在線棒之間的間隙內(nèi)、線棒與鐵心之間的間隙內(nèi)和線棒端部表面間隙中的放電。為了區(qū)別于發(fā)生在絕緣內(nèi)部氣隙中的放電，這種表面放電也被稱為外部放電。用戶關(guān)注表面放電是從關(guān)注發(fā)電機整機起暈電壓水平開始的。

2006年2月，某電廠2號氫冷發(fā)電機在清理端部油污時發(fā)現(xiàn)了大面積的絕緣碳化現(xiàn)象，如圖1所示。事故分析報告表明，制造廠工藝不良導(dǎo)致整機起暈電壓水平過低，引起表面放電反復(fù)灼傷絕緣是事故的根本原因。在發(fā)電機檢修過程中，定子繞組端部的清掃是需要反復(fù)進(jìn)行的工作。由于該事件的發(fā)生，很多用戶開始關(guān)心這種清掃是否會破壞端部表面的防暈結(jié)構(gòu)，從而引起表面放電。這就促使用戶尋求一種評估表面放電水平的方法。

在氫冷發(fā)電機中，高壓氫氣具有抑制表面放電的效應(yīng)[1]。然而，在空氣冷卻的發(fā)電機繞組中，表面放電所產(chǎn)生的臭氧、氮氧化物可能腐蝕防暈涂層，從而進(jìn)一步加劇表面放電，最終引起絕緣的失效。因此，修復(fù)防暈涂層是空冷發(fā)電機在檢修時一種常見的工作。圖2給出了北京某電廠修復(fù)防暈涂層的現(xiàn)場照片。如何評估這種修復(fù)效果？這個問題與評估表面放電水平是相同的。

圖1 由表面放電導(dǎo)致的某電廠2號發(fā)電機定子端部的絕緣碳化區(qū)域

工程師提出采用暗室遮光起暈試驗來評估發(fā)電機定子繞組端部表面放電缺陷的嚴(yán)重程度。進(jìn)行暗室遮光起暈試驗時，工程師通過兩種方法記錄表面放電缺陷，一種是肉眼觀察、口頭描述并記錄表面放電；另一種則使用電暈成像儀記錄。目前這兩種方法都缺少標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場作業(yè)流程。相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重依賴工程技術(shù)人員的經(jīng)驗。

圖2 北京某電廠正在修復(fù)定子繞組的防暈涂層

1 試驗方法簡介

進(jìn)行暗室遮光起暈試驗時，需要對被試相繞組施加一定電壓，另外兩相繞組接地；或者將三相繞組短接到一起施加一定電壓。所加電壓的數(shù)值可參見相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。加壓時間約為 15min，以獲得穩(wěn)定的表面放電活動狀態(tài)。

使用肉眼觀察時，試驗應(yīng)在晚間進(jìn)行，并在試驗過程中關(guān)掉電機周圍所有的光源。如果不具備完全黑暗的觀察條件，則應(yīng)在電機周圍附近搭遮光棚。當(dāng)觀察人員進(jìn)入遮光棚后，開始施加電壓。當(dāng)表面放電穩(wěn)定下來以后，觀察者的眼睛會適應(yīng)黑暗，從而觀察到表面放電所產(chǎn)生的微弱輝光。

表面放電缺陷所產(chǎn)生的輻射光譜為 280～405nm，其 90%的能量都位于紫外區(qū)域，因此它所發(fā)射光的主要部分對于肉眼是不可見的[2]。為了提高觀察的靈敏度，簡化并加速試驗過程，試驗人員使用電暈成像儀觀察并記錄表面放電。電暈成像儀的輸出可直接顯示在視頻畫面上；有些電暈成像儀具有可見光濾鏡，不用關(guān)燈就可以觀察到表面放電，且更容易定位到缺陷點。

盡管電暈成像儀要比肉眼觀察靈敏得多，但是電暈成像儀的示數(shù)與儀器對放電點的距離和觀察角度有關(guān)[3]；有時，肉眼觀察到的劇烈放電點并不能得到較大的電暈成像儀讀數(shù)。但在大多數(shù)情況下，電暈成像儀所表征的放電點對肉眼都是不可見的。這表明兩種方法的試驗結(jié)果不容易進(jìn)行對比驗證。而目前的國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大都針對肉眼觀察方法，針對電暈成像儀讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)仍處于探索階段，所以發(fā)電機定子端部表面放電缺陷查找試驗（暗室遮光起暈試驗）推薦以肉眼觀察方法為主。最好先用紫外成像儀對放電點進(jìn)行定位之后，再用肉眼重點觀察這些部位，并留下相關(guān)影像資料。圖3給出了使用電暈成像儀查找表面放電所得到的圖像。

圖3 某電暈成像儀在表面放電缺陷查找試驗中的讀數(shù)

2 相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中，涉及到暗室遮光起暈試驗的主要有文[3-6]。除了文[3]外，其余標(biāo)準(zhǔn)都是針對新發(fā)電機的；而文[2]則用于制造廠對于新制造或新安裝發(fā)電機的質(zhì)量控制。文[2]和[3]同時討論了肉眼觀察方法和使用電暈成像儀進(jìn)行暗室遮光起暈試驗，其余標(biāo)準(zhǔn)則僅針對肉眼觀察方法。

對于整機起暈水平，文[4-6]只是簡單要求在 1.0倍、1.05倍和1.1倍額定線電壓下，定子繞組端部沒有明顯的暈帶和連續(xù)的金黃色亮點，并未涉及具體的試驗方法。文[2]和文[3]則對具體的試驗方法和步驟進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

文[2]和文[3]都建議試驗分為兩個階段。第一個階段，將繞組三相連在一起加壓，也可分相加壓，施加電壓較低，檢查繞組對地的部分是否存在表面放電，重點關(guān)注是否存在異物引起的尖端放電、測溫元件或監(jiān)測傳感器連接電纜附近、對地間隙和不同阻值防暈涂層的交界面和端部防暈層等部位是否存在表面放電。第二個階段，分相加壓，非被試相接地，施加電壓較高，只關(guān)注相間間隙中是否存在表面放電。這個階段即使發(fā)現(xiàn)繞組對地間隙中存在表面放電，應(yīng)予以忽略。所以應(yīng)在試驗前應(yīng)根據(jù)繞組線棒連接圖標(biāo)識好相間間隙的位置。

設(shè)UN為定子繞組額定線電壓，文[3]區(qū)分空氣冷卻和氫氣冷卻機組，建議第一階段施加的電壓分別為1.1×UN/和UN/，第二階段施加的電壓分別為 1. 1UN和UN；而文[2]則沒有區(qū)分機組冷卻方式，建議第一階段施加電壓為1.15×UN/，第二階段施加的電壓值U2應(yīng)根據(jù)繞組中各根線棒的電壓相量圖來計算。畢竟對于額定電壓為UN的定子繞組，在運行時相間只有在繞組出線端才承受額定線電壓，相間其余部位所承受的電壓會遠(yuǎn)低于這個數(shù)值。計算出相間兩根線棒所承受的最高電壓后，第二階段施加的電壓值2U應(yīng)在這個值的基礎(chǔ)上增加15%。比實際承受電壓高出15%是為了補償運行時機組溫度高于試驗時所造成的影響。兩個標(biāo)準(zhǔn)所施加的電壓都有各自的考慮，應(yīng)結(jié)合起來應(yīng)用。考慮到高壓氫氣對表面放電的抑制作用，對于氫冷機組宜按文[3]規(guī)定的電壓數(shù)值加壓，對于空冷機組，則宜按文[1]規(guī)定的電壓數(shù)值加壓。

為了讓電暈成像儀滿足試驗要求，必須對其進(jìn)行標(biāo)定。文[3]采用測量試驗線棒表面放電時的局部放電量的辦法標(biāo)定電暈成像儀，以此得到電暈起始時所對應(yīng)的電暈成像儀的示數(shù)。而文[1]則采用肉眼觀察標(biāo)準(zhǔn)尖板電極起始電暈的方法來檢查電暈成像儀的靈敏度是否滿足試驗要求。文[2]中規(guī)定，肉眼觀察法得到的電暈起始電壓與電暈成像儀得到的電暈起始電壓相差不能超過1kV，以此也可以標(biāo)定電暈成像儀。

就試驗標(biāo)準(zhǔn)而言，由于文[2]是針對新機的，它要求在所施加的電壓下，對應(yīng)的部位不應(yīng)存在表面放電，否則就應(yīng)對發(fā)電機進(jìn)行修理；而文[3]是針對現(xiàn)場安裝的發(fā)電機，無論是新機還是已投運處于檢修狀態(tài)下的機組，它規(guī)定，表面放電可以在一定程度內(nèi)存在，是否需要處理應(yīng)根據(jù)電暈成像儀的示數(shù)決定。

對于新機而言，文[2]中給出的標(biāo)定方法更加符合實際需求，畢竟對新機進(jìn)行暗室遮光起暈試驗的目的是為了給出表面放電的起始電壓和熄滅電壓水平。而對于檢修中的機組而言，用戶關(guān)心的是表面放電的嚴(yán)重程度以及它是否需要進(jìn)行處理。所以，文[3]中給出電暈成像儀的標(biāo)定方法和表面放電的評估方法更容易在現(xiàn)場實現(xiàn)。然而，由于電暈成像儀的示數(shù)與肉眼觀察方法得到的圖像之間的對應(yīng)關(guān)系并沒有數(shù)據(jù)支持，所以目前對檢修機組的表面放電水平的評估方法宜以肉眼觀察方法為主，以電暈成像儀的讀數(shù)作為輔助手段。而肉眼觀察方法需要一定的經(jīng)驗，這就為現(xiàn)場操作帶來了困難。與文[3]給出的標(biāo)準(zhǔn)不同，本文建議對所有在第一階段使用電暈成像儀發(fā)現(xiàn)的表面放電點一定要進(jìn)行處理，其處理辦法依據(jù)表面放電缺陷表現(xiàn)的不同而不同。

3 表面放電缺陷的表現(xiàn)及其現(xiàn)場處置

發(fā)電機定子繞組端部的表面放電缺陷依據(jù)其遺留下來的痕跡可分為四種。

由于線棒端部間距不夠而造成的表面放電。長期運行之后，它通常會引起線棒表面的電腐蝕現(xiàn)象，即在目視檢查時，會發(fā)現(xiàn)線棒表面存在大量的白色粉末（臭氧或其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕的結(jié)果）。這種白色粉末一般出現(xiàn)在運行中處于高電位的線棒上。當(dāng)它們與灰塵或油混合時，可能變成褐色或者灰色。圖4給出了一臺水輪發(fā)電機定子繞組端部出現(xiàn)的電腐蝕現(xiàn)象。

半導(dǎo)體涂層故障所造成的表面放電缺陷。一般來說，半導(dǎo)體涂層為黑色，如果涂層變成白色、黃色或其他顏色，則發(fā)生了這種故障。當(dāng)端部半導(dǎo)體涂層的交疊部分發(fā)生故障時，會引起特殊的電腐蝕現(xiàn)象[7]，如圖5所示。

臟污造成的表面爬電。在端部間隙不足處如果線棒表面存在臟污，就會引起表面爬電。有時，這種爬電會在線棒表面的絕緣漆上留下放電通道的痕跡，如圖6所示。

間隙中的顆粒造成的表面放電。間隙中的顆粒改變了電場分布，尤其是金屬或其他導(dǎo)電顆粒會形成局部場強較高的區(qū)域，由此引起表明放電。

在制造廠處理表面放電缺陷可能涉及重新綁扎定子端部，增大間隙等措施，有時甚至需要修改電機設(shè)計，重新安裝線棒。在檢修現(xiàn)場處理表面放電缺陷時一般以清掃為主。現(xiàn)場經(jīng)驗表明，哪怕是很小的顆粒都可能造成嚴(yán)重的表面放電缺陷，所以應(yīng)對端部縫隙應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的清掃。對表面放電遺留的痕跡進(jìn)行清理之后，再在絕緣表面噴上絕緣漆。一般情況下，清掃可以很好地消除表面放電缺陷。特殊的情況下，可能需要以某些材料填塞空隙或者塞入墊塊以增大間距。這項工作一定不能破壞線棒的絕緣結(jié)構(gòu)。在端部間隙內(nèi)填塞環(huán)氧泥等絕緣材料時，應(yīng)保證填塞的材料不能影響電機的散熱，且不能掉落，以免堵塞轉(zhuǎn)子通風(fēng)道。此外，如果沒有專家的指導(dǎo)，不推薦在現(xiàn)場進(jìn)行防暈涂層的修復(fù)，即盡可能不在現(xiàn)場進(jìn)行防暈涂層的噴涂工作。

4 結(jié)論

（1）發(fā)電機定子端部表面放電缺陷查找試驗應(yīng)將肉眼觀察方法和應(yīng)用電暈成像儀的方法結(jié)合起來在現(xiàn)場實施；受限于電暈成像儀的普及程度和實施標(biāo)準(zhǔn)，一般以肉眼觀察方法為主。

圖4 某水輪發(fā)電機定子端部電腐蝕造成的白色粉末

圖5 某水輪發(fā)電機定子端部出槽口防暈層交疊區(qū)域劣化造成的白帶

圖6 某汽輪發(fā)電機定子端部相間間隔塊處的爬電碳化痕跡

（2）現(xiàn)有試驗標(biāo)準(zhǔn)在施加電壓、電暈成像儀的標(biāo)定以及表面放電的評估方法上有一定差異，現(xiàn)場試驗應(yīng)結(jié)合實際情況應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)。

（3）表面放電一般會留下電腐蝕、爬電痕跡等放電跡象。在一定條件下，清掃可以對表面放電缺陷的消除起到很好的效果。在現(xiàn)場應(yīng)慎重使用在表面放電點處填塞絕緣材料和修復(fù)防暈涂層這兩種措施。

[1]王紹禹, 周德貴. 大型發(fā)電機絕緣的運行特性與試驗[M]. 北京: 水利電力出版社, 1992: 57-58.

[2]IEEE P1799/D11, April 2012. IEEE Draft Recommended Practice for Quality Control Testing of External Discharges on Stator Coils, Bars and Windings[S].

[3]DL/T 298-2011, 發(fā)電機定子繞組端部電暈檢測與評定導(dǎo)則[S].

[4]GB/T 7064-2008, 隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求[S].

[5]GB/T 7894-2009, 水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件[S].

[6]SL/321-2005, 大中型水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件[S].

[7]（美）斯通（Stone G.C.）, 等. 旋轉(zhuǎn)電機的絕緣——設(shè)計 評估 老化 試驗 修理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010: 128-131