向天航,顧衛(wèi)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)
電暈是指帶電導體對周圍空氣進行游離放電的現(xiàn)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(fā)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(xiàn)場統(tǒng)計,發(fā)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。
水輪發(fā)電機組定子線棒層間電暈是發(fā)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(fā)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(fā)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(guī)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(xù)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(xiàn)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(fā)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(tài)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(fā)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(qū)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(fā)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。
1.2.1 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(fā)電區(qū)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(fā)電機在運行狀態(tài)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(tài)。
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(fā)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(xiàn)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(fā)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(xù)惡化。
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?shù)姆椒ㄟM一步處理。一般處理發(fā)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(xiàn)象,且電暈放電嚴重時。
(3)隔離法:將環(huán)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(yè)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(fā)現(xiàn)填充隔離法對處理定子線棒層間電暈效果良好。
在常規(guī)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(xiàn)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(fā)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(shù),可大大降低線棒層間的電場強度,有效防止該處再次發(fā)生電暈。
在檢修國內某大型水力發(fā)電廠某機組時,發(fā)現(xiàn)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(yè),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(fā)現(xiàn)第225槽線棒處光子數(shù)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(wěn)定運行一年,待機組停機后進行跟蹤觀察,發(fā)現(xiàn)采用填充隔離法處理的第225槽未再發(fā)現(xiàn)電暈痕跡。填充絕緣物仍然很緊實,沒有發(fā)生移位。跟蹤效果圖如圖6所示。
圖6 處理后跟蹤圖片F(xiàn)igure 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。
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(fā)電機檢修工期短,作業(yè)空間有限時,對處理發(fā)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(fā)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(fā)電機內部檢查,對發(fā)電機內部臟污情況進行評估,及時開展發(fā)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。