定子線棒層間電暈成因探究及處理

向天航，顧衛坤，吳小平，楊大貴

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443000）

0 序言

電暈是指帶電導體對周圍空氣進行游離放電的現象，在一定的溫度和大氣壓下可以看到淡藍色的輝光放電。由于在發電機運行時，很難觀察到定子線棒，故一般只能觀察到電暈后的痕跡。根據現場統計，發生電暈的類型有三種：定子線棒R彎部電暈[1，2]、定子線棒槽內電暈、定子線棒層間電暈。其中定子線棒層間電暈最具備普遍性，故選擇定子線棒層間電暈作為理論分析原型。

1 原因分析

1.1 形成電暈放電通道

水輪發電機組定子線棒層間電暈是發生在上下層線棒之間，位置在定子線棒出槽口至R彎之間，如圖1所示。

圖1 定子線棒層間電暈部位Figure 1 Corona position between stator bars

將兩根線棒層間位置抽象為兩個極板，對上極板施加電壓U，則在極板間形成電場，場強方向是從上至下。帶電粒子在場強的作用下發生定向移動，正電荷會聚集到下極板，負電荷會聚集到上極板，即在電場作用下空氣發生電離。如圖2所示，正電荷沿實線箭頭運動到下極板，負電荷沿虛線箭頭運動到上極版。

圖2 層間電暈模型Figure 2 Interlayer corona model

根據帶電粒子在電場中的運動規律，電場強度越大，帶電粒子的運動速度越快。當大量帶電粒子對上下極板進行持續撞擊時，顯然會對極板表面材料造成損害。當極板表面材料受到損害后，極板表面材料的分子結構也會被破壞掉，更多的帶電粒子參與到高速運動，即可以看到電暈放電現象，其對極板的損害程度隨著時間的推移進一步加劇。電場強度公式如下：

根據電場強度公式分析，當電壓U和極板面積S一定時，影響電場強度的因素為極板間距d。當電壓一定時，間距越小，電場強度會越大。

發電機組線棒的額定電壓在設計時已確定，層間線棒電壓差值不可能超過其設計最大值。線棒間距也在機組安裝階段固定不變，故在正常狀態下其電場強度應滿足設計要求，不會導致嚴重電暈情況。

當發電機組運行多年以后，定子線棒層間易堆積灰層、油污等污物，污物的堆積導致線棒間距變小。線棒層間的間距下降，導致該區域的電場強度會直線上升。若該處線棒層間的設計電壓差較大，則形成強電場的概率大大增加。

當線棒層間場強達到空氣電離強度時，會發生電暈放電，電暈首先會將線棒表面污物燒毀至碳化。其電暈過程中的帶電粒子撞擊，以及電暈的熱效應會直接損害線棒表面絕緣材料，加速絕緣材料過熱老化。

1.2 發生化學反應

1.2.1 產生臭氧

定子線棒層間結構與介質阻擋放電產生臭氧模型類似，介質阻擋放電產生臭氧模型如圖3所示，與圖2層間電暈模型幾乎完全一樣[3]。圖3中上下電極與圖2中上下極板類似，圖3中的發電區域等同于圖2中的極板間的間隙，雖然圖3中施加的是交流電壓，但發電機在運行狀態時，線棒層間的電壓也是隨時間變化的交流電壓，圖2中的電場方向為某一時刻的暫態。

圖3 介質阻擋放電產生臭氧模型Figure 3 Ozone generation model by dielectric barrier discharge

根據文獻[3]的研究成果，當放電電壓增大時，產生臭氧的濃度在不斷增大，說明放電間隙電場強度越大，氧原子電離分解越多，形成的臭氧更多。臭氧具有強氧化性，與定子線棒表面絕緣材料發生氧化還原反應，直接氧化線棒表面絕緣材料，會損壞定子線棒的絕緣性能。

1.2.2 產生硝酸

在線棒層間電暈部位存在的強電場會電離空氣中的氧氣產生臭氧，根據文獻[4]的研究成果，電離空氣中的氮氣產生氮化物與氧氣和水蒸氣反應形成硝酸。臭氧和硝酸具有強烈的腐蝕性，會損害線棒表面絕緣材料，甚至破壞線棒的主絕緣，對線棒造成嚴重損壞。

其在現場的表象為電暈部位有白色粉末狀物質，如圖4所示，其主要成分為硝酸鹽。

圖4 層間電暈的白色粉末裝物質Figure 4 White powder-packed material for interlayer corona

所以分析電暈形成的原因為：

（1）線棒層間污物堆積，線棒層間電壓差較大時，容易導致電暈；

（2）電暈部位發生化學反應進一步損害線棒絕緣；

（3）線棒絕緣材料老化使電暈持續惡化。

2 處理對策

2.1 常規處理方法

根據電暈原因分析，線棒層間污物堆積是形成電暈的原因之一，所以處理電暈缺陷第一步是清理層間污物。一般采用白布帶蘸酒精來回擦拭，或者用細砂紙打磨，將線棒層間污物清理干凈，然后根據電暈嚴重程度，選擇適當的方法進一步處理。一般處理發電機定子線棒電暈的方法有以下幾種[5，6]：

（1）清洗法：用酒精或丙酮對電暈放電遺留痕跡進行清洗。此方法主要適用于輕微電暈放電，放電產物主要是容易清洗的白色斑塊的情況。

（2）清理涂漆法：將電暈放電遺留痕跡用砂布、酒精、丙酮等清除干凈后，對防暈層進行重新噴涂防暈漆，從而提高線棒防暈能力。此方法主要適用于大面積電暈放電現象，且電暈放電嚴重時。

（3）隔離法：將環氧絕緣板置于上下層線棒之間，將上下層線棒隔離，切斷電暈放電的路徑，從而提高電暈放電電壓。該方法適用于局部放電嚴重，放電部位較少時。

（4）重塑防暈結構法：將防暈層剝離，重塑線棒防暈結構。此方法適用于防暈結構受損嚴重時。

以上四種常用方法在處理定子線棒電暈時均有應用，一般需要吊出轉子或拔出磁極。但是在機組檢修工期緊張，在不起吊轉子、不拔出磁極和線棒時，特別是在作業空間很有限的情況下，定子線棒層間電暈處理將十分困難，一般難以有理想的處理效果。

經過探索研究，發現填充隔離法對處理定子線棒層間電暈效果良好。

2.2 填充隔離處理方法

在常規方法處理定子線棒層間電暈不理想時，可采用填充隔離法。填充隔離處理步驟如下：

（1）將純棉白布裁成寬不超過4cm，長度不小于40cm的布條，準備若干，用無水酒精將白布條浸濕。

（2）將白布條穿過定子線棒層間，來回擦拭該處電暈痕跡，可更換新的白布條，直至白布條表面無污物為止。

（3）當定子線棒層間電暈產物不易清理時，可將0號砂紙裁成長條狀，穿過定子線棒層間，來回打磨，不得傷到線棒絕緣，打磨后重復步驟2，直至定子線棒層間清理干凈。

（4）根據現場定子線棒端部層間電暈大小情況，將滌綸氈剪裁成一定的大小，一般為長方形。將裁剪好的滌綸氈浸漬793絕緣膠，浸漬時間不少于半小時。

（5）待滌綸氈晾半干時，裁剪合適大小的諾麥克紙，包裹滌綸氈墊塞在上下層線棒之間，往諾麥克紙和滌綸氈之間灌注793絕緣膠。

（6）將諾麥克紙包裹的滌綸氈墊塞在發生電暈的上下層線棒之間，確保滌綸氈墊在上下層線棒之間無間隙。

在定子線棒層間填充諾麥克紙包裹的滌綸氈，實際上是增加了線棒層間的介電常數，可大大降低線棒層間的電場強度，有效防止該處再次發生電暈。

3 實際效果檢驗

在檢修國內某大型水力發電廠某機組時，發現該機組第225槽線棒有典型的層間電暈缺陷。由于機組檢修工期短，無法起吊轉子后作業，故采用隔離填充法進行處理該缺陷。

處理完成后進行定子線棒耐壓試驗，當加壓至1.1倍額定運行電壓時，用紫外成像儀觀測時發現第225槽線棒處光子數最低可到0，如圖5所示，試驗證明處理效果良好。

圖5 處理后第225槽附近紫外成像圖Figure 5 After processing，ultraviolet imaging near slot 225

處理完成后，該機組穩定運行一年，待機組停機后進行跟蹤觀察，發現采用填充隔離法處理的第225槽未再發現電暈痕跡。填充絕緣物仍然很緊實，沒有發生移位。跟蹤效果圖如圖6所示。

圖6 處理后跟蹤圖片Figure 6 Tracking pictures after processing

采用填充隔離法處理電暈的特點如下：

（1）切斷了線棒層間電暈放電的路徑。

（2）所需材料少、成本低，處理方法簡便快捷，處理定子線棒層間電暈效果良好。

（3）處理工期短，不需要吊轉子或拔出磁極和線棒。

4 結束語

本文通過分析定子線棒層間電暈的形成原因，提出了填充隔離處理方法，在發電機檢修工期短，作業空間有限時，對處理發電機定子線棒層間電暈有著顯著的作用。同時，為了避免機組定子線棒發生電暈，提出以下幾點建議：

（1）在機組定子線棒設計和下線安裝階段，應嚴格控制線棒之間的間距。在滿足設計的情況下，線棒層間距離應盡可能大。

（2）定期進行發電機內部檢查，對發電機內部臟污情況進行評估，及時開展發電機內部清掃工作是防止電暈的有效手段。

（3）針對不同的電暈情況，根據電暈的形成機理分析，采用可行的針對性方案消除電暈，恢復定子線棒的絕緣水平。