高压发电机定子线棒和绕组的局部放电、介质损耗因数及电晕测试

高压发电机定子线棒和绕组的局部放电、介质损耗因数及电晕测试 高压发电机定子线棒和绕组的局部放电、介 质损耗因数及电晕测试 20O6.Nod,国外大电机15 高压发电机定子线棒和绕组的局部放电, 介质损耗因数及电晕测试 (美)EEmery 【摘要】现代发电机的高电压定子绕组在运行中要承受高电压,VI,~SJ及热应力的作用.在空气中和在高 压氢气的条件下运行考虑的因素有所不同.对于绝缘来说,在高压氢气的条件下运行比在空气中运行有更多 益处.对于在空气中运行的高压定子线棒两个主要的设计因素为电晕和局部放电.两者是紧密地联系在一起 的.发电机功率密度的增加也就意味着定子线棒电压的增加.绝缘将承受更大的应力,因此确保设计条件得 到满足以使定子线棒局部放电和电晕最小化非常重要.定子线棒绝缘系统的设计必须在额定工作电压和正常 工作条件下(湿度和压力)尽量减少局部放电,同时使定子线棒不发生电晕.本文将介绍减少局部放电和电 晕的相关设计和试验. 【关键词】局部放电;电晕;高压电机;功率因数;电气绝缘 1引言 高电压定子线棒对地绝缘系统,即本文的主题, 是由浸过高温环氧树脂的玻璃丝补强的云母带组成 的.多年来,定子线棒的设计,制造及测试一直是按 标准进行的.当考虑改进绝缘系统时,定子线棒的可 靠性和长寿命是两个必须满足的主要要求.电机定子 线棒在运行中要承受高温和高电压,这对电机的尺寸 和造价有很大的影响. 云母带介电性能的改善使得线棒对地绝缘的厚度 减少,改善了电机的散热性能,从而使绕组可以设计 成更高的功率密度.对地绝缘厚度的减少可能导致局 部放电和电晕的增加.在最后的设计中要求二者降至 最低的水平.在空气冷却绕组中,由于对电介质有利 的高压氢环境已不存在,产生局部放电和电晕的可能 性也就更大.在本文中,电晕是指定子线棒表面的可 见放电.局部放电是指线棒的内部放电以及定子线棒 与定子铁心之间的放电,也就是通常所说的槽内放电. 减少定子线棒中放电的步骤首先是通过测试找到 放电的起因和源头.接下来就可以采取 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 减少甚至 消除定子线棒外部和内部的放电.本文首先介绍评估 定子线棒或绕组放电水平的试验方法,然后介绍为减 少放电在线棒中所采取的措施,最后介绍如何使用这 些方法来改进定子线棒设计. 2定子线棒局部放电 高电压定子线棒绝缘的局部放电在一段时间后能 够对绝缘产生破坏.在学术界,局部放电可以破坏定 子线棒的绝缘系统已经达成共识,而定子线棒的局部 放电与定子线棒电介质寿命之间的关系还不能确定. 线棒表面的电晕也将对绝缘产生破坏.局部放电与许 多因索有关,许多文章都对此进行了论述.内部的局 部放电可以通过局部放电测试仪器直接测出,也可以 通过介质损耗因数的测定间接得到.此外,在测量定 子线棒局部放电方面TVA电晕探测器也被成功应用. 在定子线棒的设计中,所有的步骤都是尽量减少定子 线棒的局部放电.局部放电活动可以发生在铜导体与 线棒表面接地电极之间的任意位置.任何局部放电的 发生都将导致定子线棒对地绝缘,外表面接地极,铜 导线股间绝缘以及固化材料的老化.定子线棒中比较 耐受局部放电的材料有:铜导体,对地绝缘带中的云 母成份,云母带中的玻璃丝成份,股线绝缘中的玻璃 丝成份以及粘合物质中的玻璃丝成份.局部放电将降 解定子线棒粘合物质中的树脂,对地绝缘的浸渍树脂 以及其他聚酯类物质.在定子线棒中形成局部放电的 条件为绝缘中存在气隙并且在气隙上存在电应力.如 图1所示,当气隙具有某一尺寸并且所加电压足以导 致其击穿,则会发生局部放电.通常来说,在1个标 准大气压下,气隙的最小尺寸为0.03ram2,所加电压 大于3000V/ram时,将发生局部放电. 在高压定子线棒内部有3个主要的部位(如表1 所示)容易发生局部放电(电离损耗). 一 般来说,定子线棒外表面的局部放电可以通过 肉眼或借助电晕观测仪器看到.发生在槽内的电晕是 16高压发电机定子线棒和绕组的局部放电,介质损耗因数及电晕测试2006.Na4 看不到的,但可以通过对整机绕组的局部放电的测试 检测得到.当定子线棒表面电应力大于3000Wmm时, 空气将发生击穿并有电晕出现.最有可能发生外部局 部放电或电晕的位置为:定子线棒外表面电应力控制 电极(防晕层),沿线棒端部及端部与端部之间的区域, 定子线棒槽部外表面半导体涂层(接地电极)与定子 铁心之间.此外,定子线棒外表面导电电极与定子铁 心之间要有很好的电气接地连接并且要有合适的绝缘 电阻值以阻止线棒向铁心放电. 图l定子线棒内部气隙及其等效电路. 只要气隙有足够的尺寸并且外加电压可 以使其击穿,就会发生局部放电 表1定子线棒内部局部放电位置 ?对地绝缘浸溃树脂中的气隙 ?线槔粘合物质中的气隙 ?对地绝缘与铜导体接触面的气隙 在高压氢的运行条件下,定子线棒的局部放电不 是一个主要问题.如图2所示,高压氢环境下(4bar) 的起晕电压是在1个标准大气压空气环境下(绝对压 强)的两倍. 一 宝 出 脚 噼 fIl! 线棒间距为O.5英寸时的起晕电压 49.5 二斗.二 霉麓蕊霞蕊嘲豳.黼 图2空气中和氢气中起晕电压的比较 2.1定子线棒外部的局部放电(电晕) 发生在定子线棒外表面的局部放电通常被称为电 晕.发生外部局部放电(电晕)的位置如表2所示. 定子线棒的设计,材料和制造工艺对局部放电和 电晕的水平都有影响. 有3种测试方法来测定定子线棒的局部放电或电 晕的水平,如表3所示.下文将分别进行介绍. 表2定子线棒表面局部放电(电晕)位置 ?接地极与电压控制电极的接合处 ?电压控制电极外侧末端 ?相组定子线棒之间 ?定子线棒导电电极与定子铁心之间 表3定子线棒局部放电和电晕测试方法 ?损耗因数测试 ?局部放电测试 ?起晕电压测试 3损耗因数的测量 术语损耗因数和损耗因数增量可分别与术语功率 因数和AtgcS-~换.术语tg6通常用来确定与介质损耗因 数试验有关的值.理想的定子线棒绝缘基本上是一个 高压电容器.通过测定损耗因数的方法可以衡量此电 容的好坏.对于一个无损耗的电容器,损耗因数应为0. 然而理想电容器(定子线棒)是不存在的.在线棒中存在 着固有的损耗,这个损耗很重要,可以很容易地用介 质损耗因数试验来测定.高压线棒设计者总是力图设 计和制造具有低介质损耗的定子线棒.这样在线棒上 测得的损耗因数就很低.如果线棒绝缘整体性好,正 确固化后气隙含量低,那么损耗因数增量也会很低. 3'1高电压定子线棒介质损耗因数 出现介质损耗的高压定子线棒绝缘系统可以用电 阻和电容的串联或并联电路来表示.图3给出了串联 等效电路.高压定子线棒构成了电容器.铜导体与外 部接地极构成电容器的两个极板,由对地绝缘隔开. 对地绝缘构成电容器的介质.线棒对地绝缘中的介质 损耗由串连等效电路的电阻表示,还可以采用并联等 效电路.但不包括在这里.在串联等效电路中,定子 线棒单元绝缘由一个无损耗的电容器(G)与一个代 表定子线棒电介质损耗的电阻(R)串联.电容损耗 的部分由与电容(C)并联的电阻如构成. 图4给出了串联电路阻抗矢量图.电路外施电压 与单元电容两端电势差的相角为损耗角.损耗低时 其值较小,损耗高时其值很大.角度比较小时(耋0.1.), 角约等于tg6.tg6被定义为介质损耗因数.测定 角是确定线棒损耗因数的方法.如果线棒是一个无损 ????mO 20o6.?4国外大电机l7 耗的电容器,没有电阻分量,那么电阻两端的电压降 是零,角6是0(tgO.).随着串联B的增加,t也相 应增加. 容 忍=总电介质损耗 =外施交流电压 lt--回路电流 或|=电容损耗 图3定子线棒绝缘系统串联等效电路 =损耗角(t) Rit总电介质损耗 = 单元电容电抗 =总的同路阻抗 图4对应于图3的串联等效电路的阻抗矢量图 3.2定子线棒损耗因数理论 由于定子线棒中的介质损耗是一个功率损耗 (,R),所以损耗可用单位w来表示.然而,通常 线棒损耗是用损耗因数(和损耗因数增量来表示 的.定子线棒的介质损耗有两个分量,分别是固体损 耗(电介质吸收和电导率)和电离损耗.这两种损耗 之和就是总介质损耗,即进行损耗因数试验时在线棒 上测定的损耗.这些损耗可以画成随外施电压变化的 曲线,如图5所示.这两种损耗通常都随外施电压的 增加而增加.根据图5所示的测量数据可计算损耗因 数增量. 根据图4的矢量图,可以采用式(1)来计算蟾. 对于一个没有损耗的完好线棒来说,R=0,t 也等于0.如果测定了线棒的t,那么采用式(2)可 以计算有效损耗分量,从而以设计为目的进行评定. R(t)/(2arC,)(2) 图5所示的电离损耗是由于线棒绝缘结构中含有 气体(气隙)所引起的.这些内部放电可以出现在线棒绝 缘结构中的任何位置.图1给出了对地绝缘内部的气 隙图. 定子线圈的功率因数曲线 图5表示定子线棒损耗各分量的功率因数曲线 这些内部放电引起局部发热,所产生的功率损耗 等效于电阻尺中的功率耗散.这个尺值(图3)是表4 中给出的1个或多个变量的函数. 表4线棒介质损耗变量 树脂系统 定子线棒结构材料 线棒固化程度 气隙含蕾,气隙尺寸 温度 电压值 外施电压频率 电极系统特性 定子线棒尺寸和几何形状 浸溃和固化 3.3高压定子线棒的功率因数测定 用来测量高压定子线棒功率因数的大多数现代仪 器仍采用基于西林电桥方法的电桥平衡技术来测量构 成介质损耗分量的线棒单元电容和内部电阻.采用电 流平衡的方法可以减少杂散电容对测试的影响.随后 可以人工或由机器自动用这两个测量值计算损耗因 数. 3.4单支定子线棒的功率因数试验 图6给出了测试单支线棒损耗因数的装置.需要 一 个交流电源来供给电压,其kVA和kV额定值应足 以在整个量程范围内满足试验要求.采用人工或自动 电容桥或损耗因数试验装置来测量被试线棒的单元电 18高压发电机定子线棒和绕组的局部放电,介质损耗因数及电晕测试2006.Na4 容和tj.屏蔽测量设备,包括被试线棒的连接引线, 以防止读数误差. 图6用来测量高压定子线棒上损耗因数的典型试验装置 一 个高压电容器,典型情况下是100pF,被用作 参考标准,即电桥电路中的c^.为了正确地将线棒电 极连接至电桥电路并保持正确的引线屏蔽,采用一个 接线盒.标准的做法是采用护环将试验区限制在线棒 的单元区,防止端匝电晕中的外部放电影响读数.在 后文中将提到如果不使用护环,随着外施电压的升高, tj将显着上升.可以有许多不同的护环结构.参考文 献[2]介绍了几种不同的护环结构. 3.5测量单根线棒损耗因数的试验过程 采用上述电路(图6),在某个确定电压等级下测 定被试线棒的损耗因数.对于每个损耗因数试验采用 的电压等级数由制定试验过程的人来确定.损耗因数 随外施试验电压变化.标准的做法是至少在两个电压 等级下测定损耗因数.最低电压通常被选定为低于线 棒的起始放电电压,但足以引起被试线棒中介质损耗. 第二个电压等级被选定为远在起始放电电压之上,并 且应接近线棒的实际运行电压.一个极力推荐的尤其 是用在新线棒上的做法是:调节电压使线棒在至少是 1.2(暑相电压)的电压下保温.保温电压的作用 有两个:一是在试验过程中绝缘处于一个相对恒定的 温度;二是电离或炭化可能存在于绝缘系统中的任何 微小气隙.一旦这些气隙在高压下电离,它们就不会 成为线棒运行电压下的重要局放源.保温期过后,最 合理的方法是以0.2为增量测定线棒损耗因数,从 O.2开始,到1.2结束.此测量技术提供了足够的 数据来画出线棒损耗因数与外施试验电压的关系曲 线.还测量了每个电压等级下的单元电容,并用来检 验制造出的线棒是否经过正确的浸渍.所测量的单元 电容与根据线棒几何形状从c=eA/d计算出的计算值 一 致.在参考文献[2]中给出了标准试验方法的更确 切的细节.可以在任何两级电压点之间计算功率因数 增量,从选择的较高试验电压下测量的损耗因数值减 去较低试验电压下测量的损耗因数值. 3.6在整个定子绕组上测定损耗因数的试验过程 有两种情况严重影响整机损耗因数的测定.在大 多数已安装的定子绕组(发电机)中,机座和铁心接 地,定予不便于与地绝缘.在刚刚在制造厂制造而未 安装的发电机上,相对来说定子容易与地隔离.根据 这两种情况,必须有两套不同的设备来适用于接地和 不接地定子铙的测量. 在未安装的定子绕组上,可采用标准电桥电路, 定子铁心与地绝缘(悬空).对于不接地定子的典型试 验装置见图7. 准电容c^ 图7用于定子铷与地绝缘的定子绕组的 损耗因数测试装置 典型的试验方法是选择两个电压点测试绕组的损 耗因数和电容.最低电压通常选择0.2,而最高电压 通常选择为等于或高于绕组正常工作时的对地相电 压.损耗因数增量为在最高电压下所测得的损耗值与 在最低电压下所测得的损耗值之差.由于在测试过程 中定子线棒的末端电应力控制部分(端部防晕层)并 未从电路中屏蔽出去,因此在绕组上所测得的损耗因 数包括这部分所引起的介质损耗.此外,随着外施电 压的增加,绕组上的单元电容将显着增加.这是由于 随外施测试电压的升高,电应力控制电极的电阻值下 降,从而使定子线棒有效电极的面积变大. 20o6.Nl4国外大电机19 4局部放电的测量 局部放电既可以在单支线棒上进行测量也可以在 整个绕组上进行测量.有许多种方法测量局部放电口】. 对于所获数据的分析也有许多种不同的方法.目前, 定子线棒上局部放电的测量还没有标准可以遵循.测 量局部放电的电压等级和频率目前也没有标准.这里 所描述的方法是一种典型的方法.局放数据被用来对 不同类型的线棒与线棒或绕组与绕组进行比较.通过 对局部放电数据的分析可以判断局部放电抑制技术的 效果,也可以用来帮助确定定子线棒和定子绕组的制 造工艺过程是否合理.局部放电试验和损耗因数试验 共同使用来确定新制造的定子线棒和绕组的质量情 况. 4.1定子线棒,绕组局部放电的测试 局部放电的测试需要在完全处理过的定子线棒上 进行,试验装置如图8所示.铜导线缠绕在接地极的 整个长度上,一直缠到电压梯度电极的开始处.然后 将外绕的铜导线接地.两个9nF的耦合电容器连接在 定子线棒铜股线的两端,为防止股线间放电,已将所 有的股线连接在一起. 图8单支定子线棒局部放电测试系统装置图 一 个无局部放电的交流电源加在定子线棒铜导体 与地之间.交流电源在需要的测量电压范围内可调. 带有windows操作界面的计算机用于程序控制和数据 处理.一个TettexTM校订仪器用来提供—个基准局放 脉冲以在进行局部放电试验之前校订系统. 在整个定子绕组上测试局部放电的方法如图9所 示,每相绕组都要单独进行测试.在对一相绕组进行 试验时,应将其余两相绕组对地短接. 图9整台定子绕组局部放电测试回路 定子线棒和绕组的局部放电试验的起始电压为 3kV吣并按每级3kV的速度上升直至线棒/绕组的额定 电压.测试的频率带宽为20kHz300kHz.在每个试验 电压下都要记录脉冲分布(相对于励磁电压波形的相 位)和脉冲密度.局部放电信号的最高正负脉冲幅值 也被记录下来.从定子线棒/绕组的两端(通道1和通 道2)同时记录局放.对于两个通道数据的分析有助于 进一步的试验时进行比较.局部放电脉冲信号的最高 幅值以毫微库仑(nC)为单位进行记录.图1O为以 nC为单位的局部放电量与测试电压关系的曲线. 8 蔷?0 脚 泰m_o喧 5.O 0.O 图lO=18.0kV的单支定子线棒局部放电曲线 20高压发电机定子线棒和绕组的局部放电,介质损耗因数及电晕测试2006.Na4 4.2使用TVA电晕探测器和准峰值库仑表测量局放 一 种经过了时间 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 的测量定子线棒或绕组局部 放电量相对大小的方法是将电磁探测器(,A电晕探 测器)与T,,A峰值脉冲表相结合使用的方式.在线棒 上施加大于PD起始电压的条件下,使用调节到2 5MHz的铁氧体磁棒天线沿定子线棒的外表面扫描. 当定子线棒额定电压为18k,r珈.时外施电压的范围为 6~IOk,rr既.探测器能够探测到绝缘系统内部放电发出 的电磁辐射.这种设备尤其适用于寻找定子线棒局部 放电的位置.仪表的输出以准峰值库仑(QpC)为单位. 图11为原西屋公司研究与开发中心生产的采用TVA 探测器的电晕测试仪表的外形图片. 图ll采用2.5MHz铁氧体磁棒天线的TVA电晕探测仪表 5起晕电压的测量 最新发明的夜视照相机被引进来观测定子线棒外 表面的电晕.这种已成为商品的照相机可以感光的电 晕光谱范围为300—450nm.虽然大多数电晕照相机不 能定量地测量电晕,但在判断电晕是否发生方面非常 敏感和好用.图12给出了名为CoronaScoperM的电晕 观测仪器的照片,这种仪器曾经在市面上出现过,但 现在已经没有了. 电晕照相机提供如下信息:判断电晕是否发生, 帮助试验人员确定电晕的位置,起晕和熄灭电压.电 晕照相机可以在有光的条件下使用,不需要黑暗的条 件.通过使用电晕照相机可以很容易地确定电晕的实 际位置.当增加施加在定子线棒或绕组上的电压时, 可以观察到电晕发生的位置.当刚刚能看到电晕时的 电压值即为起晕电压.此时降低电压,当看不到电晕 时的电压值即为电晕熄灭电压.在完全黑暗的条件下, 大多数电晕照相机的灵敏度比肉眼的好100倍. 图12以电池为电源的电晕观测器,用来判断 定子线棒表面电晕或放电的发生. 6定子线棒局部放电的深入研究 为了能够成功地设计,制造并在高压空冷电机上 应用,需要更深人地理解定子线棒的局部放电.找到 局部放电的原因就可以采取措施减少定子和定子线棒 的局部放电了. 6.1定子线棒内部放电 开始研究的第一步是要决定定子线棒绝缘局部放 电的源头【4j.未包对地绝缘的半成品成型线棒的四个面 要求是坚硬和平整的.为了使线棒的上下表面平整, 在罗贝尔交叉换位处的表面填充物应至少与股线的厚 度一致.罗贝尔填充物质中应含有树脂成分以便在受 热和加压的过程中粘合和固化.由于加压和烘焙的过 程在空气中进行,气隙难免会进人树脂中.当在罗贝 尔填充物中使用起粘合作用的树脂时,通常将导致定 子线棒损耗因数增量增加. 6.2罗贝尔填充物中含有气隙的试验用定子线棒 试验用高电压定子线棒的制造和测试是为了对定 子线棒内部的局部放电活动有更深人的了解.在试验 线棒中,有意使换位股线发生很大的位移.采用多胶 聚酯填料作为罗贝尔填充物.电气测试是在整个定子 线棒上进行以确定局部放电的程度和发生局部放电的 大概位置. 试验线棒损耗因数曲线如图13所示.定子线棒的 损耗因数是在线棒的直线部分测得的.此外在线棒的 两个端部也分别包上导电极并在端部区域进行损耗因 数测试.从曲线上可以明显地看到,在线棒直线部分 的功率因数增量很大,而在端部区域相当小., 定子线棒端部区域的股线不进行罗贝尔换位,因 此不使用罗贝尔填充物.在槽部区域的高损耗因数增 量是由于罗贝尔填充物和树脂中所含的放电气隙引起 2oo6.?4国外大电机21 的.端部的低损耗因数表明对地绝缘浸渍和粘合良好. 在4.8v咖下槽部区域和端部区域的损耗因数起始值 都很小(<1.O%),也表明定子线棒固化良好.从这些 测试结果所得的结论是,在定子线棒槽部区域的高功 率因数增量是由罗贝尔填充物的局部放电所引起的. 试验线棒的损耗因数 ——,一- 厂 / / /一 4.89.614.419.22428.8 试验电压(1【V) 图13试验定子线棒损耗因数曲线. 上方曲线为定子线棒槽部曲线, 下方两条曲线为端部曲线. 线棒的额定电压为24kV. 为了证明高介质损耗增量是由槽部罗贝尔填充物 的局部放电所引起,使用前文所提到的图1I所示的 TVA电晕探测器沿定子线棒宽面和窄面进行局部放电 检查.图14给出在定子线棒上施加1OkV聊的外施电 压用TVA探测器所测得的局部放电的位置隋况.从图 13所示的损耗因数曲线上看,在外施电压为1OkV 左右时,线棒槽部的损耗因数有了明显的增加.在定 子线棒的端部包括涂上电极的部分没有检测到局部放 电信号.在线棒槽部的宽面也没有检测到局部放电信 号.检测到的局部放电大多数在线棒弯曲处的上下表 面(窄面).使用TVA探测器和局部放电测试仪器做 进一步的试验表明罗贝尔填充物厚的地方对应局部放 电强,而罗贝尔填充物薄的位置对应的局部放电弱. 使用TVA探测器沿定子线棒槽部窄面上表面进行局部 放电检测,曲线如图15所示.对定子线棒进行解剖显 示,在罗贝尔填充物最厚处出现局部放电灼烧的痕迹. 7定子线棒内部电应力控制 消除定子线棒对地绝缘中的气隙比消除未包对地 绝缘胶化成型后的导体所含的气隙要容易一些.未包 绝缘的线棒必须在空气中固化成型.除非固化成型的 过程在真空中完成,否则在未包对地绝缘的线棒上是 不可能没有气隙的.为了使定子线棒对地绝缘在高电 压下安全运行,确定罗贝尔填充物和其他粘合固化物 质的局部放电水平很重要.当局部放电的位置和程度 确定后,就可以采取措施减少甚至消除.沿罗贝尔填 充物的电压分布情况是可以确定的,并且可以通过计 算确定在罗贝尔填充物上的电应力.如前所述,工作 电应力足以导致罗贝尔填充物发生局部放电翻. 槽部试验电极 一 ; 萋墟 用TVA电晕探测器检测出的定子线棒局放位置 沿线圈上表面的局部放电测试 图15沿上表面轴向进行局部放电测试.局放水平 最高的区域为罗贝尔填充物最厚的部位. 这些放电可以发生在含有气泡的罗贝尔填充物的 任何位置,气泡是在制造过程中不可避免地产生的. 气泡上的电位差能够引起局部放电的发生.在已固化 的线棒中的局部放电会对这些物质产生破坏. 为了减少施加在罗贝尔填充物表面和其他粘合固 化物质上的电势差,采用半导电材料作为罗贝尔填充 物.图16所示为半导电罗贝尔填充物的位置. 内屏蔽降低了气隙上的电势差,使得存在于未固 化的定子线棒中的气隙不再是局部放电的源头.当然, 屏蔽层的设计也就意味着选择具有合适阻值和合适耐 温性能的材料.屏蔽材料紧挨着定子线棒铜导体并在 整个寿命周期内承受铜导体和对地绝缘的温度.此外, 如果屏蔽层和铜导体没有合适的电气连接,将导致损 耗因数的增加.在一些定子线棒中,内屏蔽的增加将 导致损耗因数出现负增量.合适的设计是让屏蔽层的 6S432lO ^%)笋 电机定子线棒和绕组的局部放电,介质损耗因数及电晕测试2006. ?4 电位尽可能接近铜表面的电位以减少发生在屏蔽层上 的功率损耗.屏蔽层上的电阻必须要足够的低 (2000~10000D./:~方)以减少加在气隙上的电压,同 时也要足够的高以防止电流在屏蔽层中流过从而增加 定子线棒损耗. 降低施加在罗贝尔填充物上的电势差将降低罗贝 尔填充物的局部放电水平,这将使得定子线棒具有很 低的损耗因数增量.此外,也将导致整支线棒局部放 电水平的降低. 对两支试验线棒进行试验.一支含有内屏蔽而另 一 支不含内屏蔽,其余的结构完全相同.两支线棒的 损耗因数试验均在槽部进行.图17为两支线棒损耗因 数增量的比较.屏蔽的定子线棒的损耗因数增量为0.44 %,而jE屏蔽的定子线棒的捞萌毛因数增量为2.23%. 对地绝缘 图16用于减少内部放电的半导电罗贝尔填充物 3'5 3 2.5 ^ 喜2 1.5 1 0-5 0 屏蔽与非屏l咕i功率因数曲线 __. ..——__. ,,A救, /一,…一一 / !r一/一增量卸_=44%(合格) 4.48,813.217.62226.4 试验电压(kVl衄) 图17相同定子线棒屏蔽(0.44%)与 非屏蔽(2.23%)损耗因数增量比较 定子线棒额定电压为22kVrms. 7.1负增量 关于负增量解释方法有很多,下面介绍其中的一 种.仔细地观察图l7中位于下面的一条曲线可以发现. 在8.8kV和17.6kV之间出现负增量.在含有内屏蔽的 定子线棒中出现负增量是一种很常见的现象.在低电 压区域出现负增量的解释如下:如前所给出的等式t =2矾G表明t直接与B的值成正比.代表总的 电阻损耗,其中的一部分由内屏蔽的电阻构成.由于 外部接地极被绕包在定子线棒表面的铜导线所短接, 因此中不包含外部接地极的电阻.内屏蔽为含有碳 的绕包带,其温度系数为负值(随的升高而降低) 并且内屏蔽与对地绝缘紧密接触.施加在定子线棒上 电压的升高导致定子线棒对地绝缘的温度轻微的上 升,内屏蔽电阻值的微小下降使得B变小从而导致t 变小,因此出现了负功率因数增量. 8定子线棒和定子绕组损耗因数的测量 单支定子线棒的损耗因数试验依照图6所示的试 验装置进行.对于整个定子绕组,损耗因数的测试应对 三相分别进行测量,使用的试验装置如图7所示.两种 不同的定子线棒其结果也有轻微的不同.在第一种情况 中,定子线棒铁心外部区域包上护环进行损耗因数试 验.试验数据如图18所示"单支线圈"曲线.这种定子 线棒的损耗因数增量(0.8一0.2)为0.15%. 摧相绕组增量.57%.—— / /一 ._—:, \ 单支线棒损耗因数增量柏.15% 试验电压(kVl删) 图l8较低的损耗因数曲线为在单支定子线棒出槽口 处包上护环,较高的曲线为没有护环的整相定子绕组 损耗因数曲线.定子线棒额定电压=18kV. 由于在一相内将所有的定子线棒都包绕护环是不 可能的,通常在测量整相的损耗因数时是不带护环的. 图18中上面的曲线表明整相测量的损耗因数大于单支 测量的损耗因数.整相的功率因数增量(0.8一0.2) 为O.57%.整相的损耗因数大于单支线棒的损耗因数 的原因是:随着施加在定子线棒上的电压的升高,电 应力控制电极上的电流增加. 构成定子线棒电压梯度电极的碳化硅带的电压与 电流呈非线性关系,如图19所示.随着施加在定子线 棒上电压的升高,电应力控制电极的电阻下降,定子 2oo6.?4国外大电机 线棒损耗电流(,2)增加导致定子线棒电阻损耗的增加. 在单支定子线棒损耗因数测试中,通过使用护环将电 压梯度电极与测量回路隔离开来,从而使较高的损耗 电流无法进入测试回路,阻止了定子线棒损耗的增加. 然而,由于护环并不十分完美,通常随着外施电压的 升高,单元电容将增加.此外,随着施加在定子线棒 上电压的增加,将发生更多的局部放电,由于放电减 薄了绝缘的厚度,从而导致了电容的增加. 7oo 600 5oo 置400 堰300 脚 2oo 1oo O 碳化硅带电压一电流曲线 _ | / ?/ / _ / / 测试电压(kV.直流) 图19典型的碳化硅电极电压.电流特性曲线. 随着电压的升高,电流以非线性的形式增加. 8.1定子线棒电容增量t 定子线棒的电容增量公式为: AC(%)=(CI哪一)/Cfnin AC小于2%是正常的. 图2O所示为内屏蔽和非内屏蔽定子线棒单元电容 增量曲线.屏蔽减小了对地绝缘的有效厚度,因此内 屏蔽增加了定子线棒的单元电容. 脚 内屏蔽与非内屏蔽定子线棒单元电容 (v4一vl惮元电容增量=1.7% (V4-V1)单元电容增i=s.1% 一.. _.———一 38.8l3.217.62226.4 试验电压(k,r唧) 环的情况下分别进行损耗因数测试.线棒在处理下线 后,对各相分别进行损耗因数测试.然后对各支线棒 没有包绕护环的情况也进行了测试.损耗因数的曲线 如图2l所示. 功率因数比较 图21有无护环的单支定子线棒和整相定子线棒损耗 因数测试比较(护环位于线棒出槽口区域). 额定电压U~--16.5kV. 单支定子线棒的曲线和整相定子线棒的曲线具有 相同的形状.电压梯度电极为决定t增量随电压升高 的主要因素.整相损耗因数曲线较高的原因是,通过 并联的方式更多的定子线棒被连入测量回路中,进而 增加了损耗.有护环的单支定子线棒上测量得到的损 耗因数曲线较低,测试中得到了明显的低损耗增量. 另外一种情况也表明了电应力控制电极是线棒损 耗因数增加的原因:随着外施电压的升高,单支定子 线棒和整相的电容明显增加. 以上数据表明,测试整相定子线棒损耗并不能完 全体现这一相中定子线棒的状态.在测试回路内主要 损耗的部分是在定子线棒端部所使用的电压控制电极 造成的,其位于铁心槽外部.在整相绕组的测试中, 单支或多支定子线棒的损耗必须超过由电应力控制电 极所产生的损耗才能被测量出来.获取有价值的试验 数据的唯一方法是对新制造的定子线棒进行介质损耗 因数试验并对试验数据进行比较.能够获取的数据不 多,tg6的起始值是其中的一种.如果tg6的起始值小 于2%,则表明定子绕组浸渍和固化良好.不要期待定 子损耗因数测试有更多的用途了. 图2o曼曼与试验电压9定子线棒和定子绕组局部放电测试的关系曲线.定子线棒 额定电压=22kV.…………一一………一 单支定子线棒的局部放电测试依照图8所示的试 又进行了另外一种试验.单支定子线棒在有无护验装置进行.对于整个定子绕组的 局部放电试验,依 高压发电机定子线棒和绕组的局部放电,介质损耗因数及电晕测试2006.No4 照图9所示的试验装置进行,对三相分开的情况以及 三相连接在一起的情况均进行了测试.图22所示为局 部放电的测试数据.下面的两条曲线为在铁心槽外对 线棒进行局部放电测试所得的结果.从3.6kvr到额 定电压l8kV舳局部放电水平都很低.上面的两条曲线 为对单相绕组进行局部放电测试并将其余两相绕组接 地所得的结果.这种情况局部放电水平较高的部分原 因是由于处于不同电位的不同相的定子线棒之间的放 电以及定子线棒末端对铁心和其他接地部件的放电. 第三种测试局部放电的方式为将三相绕组连接在一 起,其测试结果为中间的两条曲线.由于三相绕组具 有相同的电位,在相与相定子线棒之间没有放电发生, 所以局部放电主要是由于定子线棒末端对铁心或其他 接地部件放电.正负局部放电脉冲都被测试到. 出槽线棒,单相绕组和整机绕组局部放电比较 / t/ ///. ,/// ?/ : ,,.,._—一 ........ 03.67_210.814.418 试验电压(kV) 图22下面的两条曲线为在出槽的定子线棒上进行 局部放电测试;上面的两条曲线为对单相绕组进行 局部放电测试;中间的两条曲线为将三相绕组连接在 一 起的整机局部放电测试.正负号代表实际脉冲极性. 定子线棒额定电压为l8kV. 此外,为了表明在定子线棒上使用内屏蔽的效果, 在如图17所描述的两支线棒上进行了局放测试.除了 一 支含有内屏蔽而另一支不含内屏蔽以外,两支线棒 具有相同的设计.局部放电的数据如图23所示.从图 23中可以看出,内屏蔽在减少定子线棒内部局部放电 方面非常有用. 这里使用的局部放电数据都是从新制造的定子线 棒和绕组上得到的.因此无论在定子线棒上还是在绕 组上局部放电的水平都很低.然而,在局部放电的测 试数据中包含一部分定子线棒端部的外部放电,只有 当定子线棒内部局部放电量的数量级远大于外部放电 量的数量级时,测试设备才会有足够的灵敏度.在绕 组的整个寿命周期内损耗因数和其他好的基本试验数 据是非常有用的., 一 U 蜀 V * 脚 疆 话 暖 除是否包吉内屏蔽外其余结构 均相同的线棒局部放电测试 严 , , 卢 / / 4.8816 试验电压(kV) 图23屏蔽与非屏蔽定子线棒局部放电测试. 定子线棒额定电压为22kV 10损耗因数与局部放电的关系 不能确定定子线棒和绕组局部放电与损耗因数的 直接关系,表5列出了几种可能的关系. 表5局部放电和功率因数增量的大致关系 情况1若单支定子线棒的损耗因数增量和局部 放电水平都很低,这种情况是非常可能出现的.如果 定子绕组上的局部放电和损耗因数都很低,这也是有 可能的.以上两种情况介质损耗和局部放电都很小, 电应力控制电极的影响最小. 情况2若单支定子线棒上局部放电很小而损耗 因数增量很大,这种情况也可能出现.这是由于定子 线棒不完全固化或是浸渍胶为有损耗的树脂所引起的 固体损耗所造成的.整相绕组的局部放电很低而整相 的损耗因数增量却很高,这是由未屏蔽的电应力控制 电极或有损耗的树脂造成的. 情况3若单支定子线棒上局部放电很大而损耗 因数增量很小,这种情况不太可能.因为局部放电测 试和损耗因数测试使用相同的电极系统.然而,在整 相绕组中,可能发生定子线棒弯曲处(不包括电应力 控制电极的区域)之间的放电,这些部分不包括在整 相定子线棒损耗因数的测试回路中. 条件4若单支定子线棒和整相绕组的局部放电 和损耗因数增量都很高,则发生在定子线棒和绕组上 的局部放电可能是电介质损耗的根源.因此,从表5 瑚啪m啪啪???加0 ??m,0 ^='?v避嚣金 2oo6.?4国外大电机 和对各种情况的解释来看,局部放电和功率因数至多 只存在松散的关系. n定子线棒和定子绕组的电晕测试 如果设计不合理,则电晕也将成为定子绕组正常 运行中的一个问题.极端的例子如图24所示,接地极 直接与测试线棒绝缘相连.. 图24接地极末端没有电应力控制电极导致严重的电晕 在空冷定子线棒出槽n区域使用半导电电晕防护 带,可以防止发生如图24所示区域的表面放电.图25 所示为沿定子线棒端部渐开线区域存在和不存在电应 力控制电极的电势分布情况. 电位梯度电极 端部电位梯度减少了线棒出槽日处的电应力 图25有无电应力控制时定子线棒端部电位分布 已开发了计算机模型用来计算沿定子线棒端部区 域的电应力作为电应力控制电极几何尺寸的函数. 根据计算机模型及沿定子线棒端部电压分布的实 际测量,已设计出一种新的经过改进的电极结构并应 用到了空冷定子线棒的弯曲处【7-8】.此外,在设计和分 析电位梯度电极时,还使用了红外线成像的热分析和 紫外线成像的电晕测量法.电势差的测量是用来确定 电应力控制电极上的电压分布在规定的范围内. 在定子线棒经过真空压力整浸,未进行最后的固 化之前包上电应力控制带.定子线棒树脂漆将各层带 子粘附在线棒表面并形成坚硬的电极结构.这种电极 在机械性能和电气性能方面都要好于涂漆电极.电极 几何结构的设计以定子绕组在最高测试电压下电晕最 小为准.这种电极结构使得在工作电压下定子线棒表 面电晕完全被抑制.在工作电压下,沿定子线棒的任 何位置都不能观察到电晕. 使用导电带形成沿定子线棒铁心槽内部分的导电 层,以产生低电阻的接地平面,从而消除可能发生在 槽内和定子线棒表面的任何放电.对于坚硬的定子线 棒,一层特殊的带子被放置在对地绝缘带的下面以减 少外层云母带中的空气气隙.在整体真空压力浸渍的 定子线棒设计中,应设计特殊的接地平面.浸渍后的 导电带应有合适的电阻值以满足电压和温度的需要. 导电带(接地层)应有如下特点:较低的电阻值;较 高的耐受功率损耗能力;热传导性能好;较宽的工作 温度范围;各定子线棒的电阻值应相互一致. 导电接地电极也可消除浸渍树脂表面气泡的电 晕,这些气泡在很长一段时间里将会影响接地电极的 整体性. 12空冷定子绕组各相线棒之间所需净空距离 的设计考虑 已推导出了计算定子线棒相问最小净空距离的公 式.定子线棒端部净空距离的定义为沿定子线棒渐开 线区域测量相与相定子线棒之间的距离.净空距离的 尺寸为从一支线棒的对地绝缘表面到另一支线棒的对 地绝缘表面.在不同的外施电压和不同端部净空距离 的条件下,使用紫外线成像仪来测量起晕电压.图26 所示为使用典型的环氧云母带作为绝缘系统的定子线 棒之间的起晕电压.由此导出了适合于在不同的海拔, 不同的温度和不同的电压等级下运行的公式.净空温 度是指不同相定子线棒之间的空气温度. 12.1空冷定子绕组各相定子线棒间净空距离的计算 计算各相定子线棒间最小净空距离(定子线棒端 部之间的距离)的等式已推算出来,适用的电压范围 为空气中13.8lcV,22k,,r册.分别给出了用于海平面, 海拔1.6km(1英里)和海拔3.2km(2英里)的公式 和相关数据.计算净空温度分别为2O?,6o?,9O? 高压发电机定子线棒和绕组的局部放电,介质损耗因数及电晕测试2006.Na4 及100"C.净空温度为各相定子线棒间空气的温度.净 空距离的大小()根据在空气中的起晕电压来确定, 其为跨越两相邻定子线棒的距离.发生在支撑物及支 撑物间隙的电晕不作为参考.公式是建立在计算和对 起晕电压的实际测量得到的. 1.2.2公式推导 在公式中将用到下列参数: nin=沿定子线棒渐开线,相与相定子线棒之间最 小距离,单位为英寸.E=电机额定线电压,单位为 lrV.在每个公式中,应加入温度和海拔降级系数. 下述公式用来计算降级系数: 空气压力与海拔高度的相对关系用下述公式计算: P=(1—0.000006875h)? 其中:h为海拔高度;P为大气压力. 在其他压力和温度下,必须计算新的相对空气密 度(RAD). 相对空气密度(RAD)【9】通常按下式计算: RAD=(p/po)[(273+to)/(273+t)】 其中:P=实际空气压力.po=标准状况下的大气压力 (1个标准大气压或760mrnHg),tO=20"C,t=实际 温度,单位为?. 在公式中使用的温度降级系数为一0.058kV/'c. 在计算中使用的海拔降级系数为一4里. 电压安全因数为:1.25E,E以kV为单位.当 设计额定电压为18kV时,E=18.0. D幽篇【1.25正(4.8-0.058AT)]/[38.8—4.0M] 式中:‰=最小净空距离,英寸; E=定子线棒额定电压,kV; AT=温度一20,?; = 高于海平面0,1或2英里. 使用电晕观测仪器测量起晕电压 图26使用紫外线成像仪测量海平面,空气条件下 线棒绝缘之间的起晕电压 13总结 尽管本文没有给出实际的设计数据,但在减少高 电压定子线棒局部放电和电晕放电方面却做了一些尝 试.通过使用经过改进的云母带和高温环氧树脂,制 造出没有气隙且电气性能很高的对地绝缘是可能的. 定子线棒内部电应力控制层在减少罗贝尔填充物 的局部放电水平方面很有效果,因此也可以减少定子 线棒的功率因数增量.通过使用内部电应力控制和改 进外部电应力控制可以减少定子线棒内部和外部局部 放电. 如本文所述,对定子线棒绝缘系统的改进导致定子 线棒设计的更新.在空气的运行条件下和合适的设计电 压下,将使得定子线棒绝缘系统有更长的电气寿命. [参考文献】 [1】J.JohnsonandM.Warren,"DetectionofSlot DischargesinHighVoltageStatorWindingsDuring Operation",Tram.AIEE,PartII,P.1993,1951. 【2】IEEEStd286—2000,"IEEEReconmlendedPractice forMeasurementofPower-FactorTip-Upof RotatingMachineryStatorInsulation". [3】3IEEEStd.14320o0,"?EEGu