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(jī)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(jī)整機(jī)起暈電壓水平開(kāi)始的。

2006年2月，某電廠2號(hào)氫冷發(fā)電機(jī)在清理端部油污時(shí)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(bào)告表明，制造廠工藝不良導(dǎo)致整機(jī)起暈電壓水平過(guò)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(jī)檢修過(guò)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(kāi)始關(guān)心這種清掃是否會(huì)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(píng)估表面放電水平的方法。

在氫冷發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)在檢修時(shí)一種常見(jiàn)的工作。圖2給出了北京某電廠修復(fù)防暈涂層的現(xiàn)場(chǎng)照片。如何評(píng)估這種修復(fù)效果？這個(gè)問(wèn)題與評(píng)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(hào)發(fā)電機(jī)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(yàn)來(lái)評(píng)估發(fā)電機(jī)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(yàn)時(shí)，工程師通過(guò)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(chǎng)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(yàn)。

圖2 北京某電廠正在修復(fù)定子繞組的防暈涂層

1 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

進(jìn)行暗室遮光起暈試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)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(jiàn)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。加壓時(shí)間約為 15min，以獲得穩(wěn)定的表面放電活動(dòng)狀態(tài)。

使用肉眼觀察時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)在晚間進(jìn)行，并在試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)掉電機(jī)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(jī)周圍附近搭遮光棚。當(dāng)觀察人員進(jìn)入遮光棚后，開(kāi)始施加電壓。當(dāng)表面放電穩(wěn)定下來(lái)以后，觀察者的眼睛會(huì)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(duì)于肉眼是不可見(jiàn)的[2]。為了提高觀察的靈敏度，簡(jiǎn)化并加速試驗(yàn)過(guò)程，試驗(yàn)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(jiàn)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(diǎn)。

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(duì)放電點(diǎn)的距離和觀察角度有關(guān)[3]；有時(shí)，肉眼觀察到的劇烈放電點(diǎn)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(diǎn)對(duì)肉眼都是不可見(jiàn)的。這表明兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果不容易進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。而目前的國(guó)內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大都針對(duì)肉眼觀察方法，針對(duì)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(jī)定子端部表面放電缺陷查找試驗(yàn)（暗室遮光起暈試驗(yàn)）推薦以肉眼觀察方法為主。最好先用紫外成像儀對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行定位之后，再用肉眼重點(diǎn)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(yàn)中的讀數(shù)

2 相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中，涉及到暗室遮光起暈試驗(yàn)的主要有文[3-6]。除了文[3]外，其余標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)新發(fā)電機(jī)的；而文[2]則用于制造廠對(duì)于新制造或新安裝發(fā)電機(jī)的質(zhì)量控制。文[2]和[3]同時(shí)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(yàn)，其余標(biāo)準(zhǔn)則僅針對(duì)肉眼觀察方法。

對(duì)于整機(jī)起暈水平，文[4-6]只是簡(jiǎn)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(méi)有明顯的暈帶和連續(xù)的金黃色亮點(diǎn)，并未涉及具體的試驗(yàn)方法。文[2]和文[3]則對(duì)具體的試驗(yàn)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(yàn)分為兩個(gè)階段。第一個(gè)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(duì)地的部分是否存在表面放電，重點(diǎn)關(guān)注是否存在異物引起的尖端放電、測(cè)溫元件或監(jiān)測(cè)傳感器連接電纜附近、對(duì)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(gè)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(gè)階段即使發(fā)現(xiàn)繞組對(duì)地間隙中存在表面放電，應(yīng)予以忽略。所以應(yīng)在試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)繞組線棒連接圖標(biāo)識(shí)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(jī)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(méi)有區(qū)分機(jī)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(lái)計(jì)算。畢竟對(duì)于額定電壓為UN的定子繞組，在運(yùn)行時(shí)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(huì)遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值。計(jì)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(gè)值的基礎(chǔ)上增加15%。比實(shí)際承受電壓高出15%是為了補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)機(jī)組溫度高于試驗(yàn)時(shí)所造成的影響。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所施加的電壓都有各自的考慮，應(yīng)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用?？紤]到高壓氫氣對(duì)表面放電的抑制作用，對(duì)于氫冷機(jī)組宜按文[3]規(guī)定的電壓數(shù)值加壓，對(duì)于空冷機(jī)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(yàn)要求，必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。文[3]采用測(cè)量試驗(yàn)線棒表面放電時(shí)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(shí)所對(duì)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(lái)檢查電暈成像儀的靈敏度是否滿足試驗(yàn)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(guò)1kV，以此也可以標(biāo)定電暈成像儀。

就試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)而言，由于文[2]是針對(duì)新機(jī)的，它要求在所施加的電壓下，對(duì)應(yīng)的部位不應(yīng)存在表面放電，否則就應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行修理；而文[3]是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的發(fā)電機(jī)，無(wú)論是新機(jī)還是已投運(yùn)處于檢修狀態(tài)下的機(jī)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(duì)于新機(jī)而言，文[2]中給出的標(biāo)定方法更加符合實(shí)際需求，畢竟對(duì)新機(jī)進(jìn)行暗室遮光起暈試驗(yàn)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(duì)于檢修中的機(jī)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(píng)估方法更容易在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系并沒(méi)有數(shù)據(jù)支持，所以目前對(duì)檢修機(jī)組的表面放電水平的評(píng)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(yàn)，這就為現(xiàn)場(chǎng)操作帶來(lái)了困難。與文[3]給出的標(biāo)準(zhǔn)不同，本文建議對(duì)所有在第一階段使用電暈成像儀發(fā)現(xiàn)的表面放電點(diǎn)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(chǎng)處置

發(fā)電機(jī)定子繞組端部的表面放電缺陷依據(jù)其遺留下來(lái)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(zhǎng)期運(yùn)行之后，它通常會(huì)引起線棒表面的電腐蝕現(xiàn)象，即在目視檢查時(shí)，會(huì)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(yùn)行中處于高電位的線棒上。當(dāng)它們與灰塵或油混合時(shí)，可能變成褐色或者灰色。圖4給出了一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)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(lái)說(shuō)，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(shí)，會(huì)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(huì)引起表面爬電。有時(shí)，這種爬電會(huì)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(chǎng)分布，尤其是金屬或其他導(dǎo)電顆粒會(huì)形成局部場(chǎng)強(qiáng)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(shí)甚至需要修改電機(jī)設(shè)計(jì)，重新安裝線棒。在檢修現(xiàn)場(chǎng)處理表面放電缺陷時(shí)一般以清掃為主?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)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(duì)端部縫隙應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的清掃。對(duì)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(xiàng)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(shí)，應(yīng)保證填塞的材料不能影響電機(jī)的散熱，且不能掉落，以免堵塞轉(zhuǎn)子通風(fēng)道。此外，如果沒(méi)有專家的指導(dǎo)，不推薦在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行防暈涂層的修復(fù)，即盡可能不在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行防暈涂層的噴涂工作。

4 結(jié)論

（1）發(fā)電機(jī)定子端部表面放電缺陷查找試驗(yàn)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(lái)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施；受限于電暈成像儀的普及程度和實(shí)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(jī)定子端部電腐蝕造成的白色粉末

圖5 某水輪發(fā)電機(jī)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(jī)定子端部相間間隔塊處的爬電碳化痕跡

（2）現(xiàn)有試驗(yàn)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(píng)估方法上有一定差異，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)。

（3）表面放電一般會(huì)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(duì)表面放電缺陷的消除起到很好的效果。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)慎重使用在表面放電點(diǎn)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(jī)絕緣的運(yùn)行特性與試驗(yàn)[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(jī)定子繞組端部電暈檢測(cè)與評(píng)定導(dǎo)則[S].

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

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

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

[7]（美）斯通（Stone G.C.）, 等. 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣——設(shè)計(jì) 評(píng)估 老化 試驗(yàn) 修理[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2010: 128-131