胡 蝶， 莫 凡， 魏加達， 李 康， 萬留杰

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.國家電力投資集團水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004；3.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；4.河南工學(xué)院 電纜工程學(xué)院，河南省線纜結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引 言

作為清潔優(yōu)質(zhì)能源，水電對我國“雙碳”戰(zhàn)略和新型電力系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。隨著我國水電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水電總裝機容量已位居世界第一，單機極限容量達到了1 000 MW，電機溫升問題日益嚴(yán)重[1-2]。另外，隨著水輪發(fā)電機發(fā)電電壓的升高，電機定子線棒放電問題也日漸突出[3]。目前，水輪發(fā)電機定子繞組溫度測量多采用埋入式電阻檢溫計，由于受安裝工藝、安裝位置、布線距離等因素的影響，測量結(jié)果不精確，而且不能反映電機定子繞組的整體狀況[4]。水輪發(fā)電機正常運行時不可避免地會發(fā)生局部放電，局部放電是造成水輪發(fā)電機絕緣擊穿的主要原因，所以進行局部放電監(jiān)測對水輪發(fā)電機的安全運行具有重要意義[5]。目前，局部放電常用的測量方法有脈沖電流法、聲測法和光測法[6]。但大型水輪發(fā)電機運行時，電磁環(huán)境極為復(fù)雜，局部放電信號很容易被電磁干擾信號所淹沒[7]。而水輪發(fā)電機定子線棒過熱和局部放電時會產(chǎn)生氣體衍生物，可以使用氣體傳感器對定子線棒故障特征氣體進行監(jiān)測，即采用分解氣體法來判斷定子線棒是否存在過熱或放電故障[8-9]。目前，針對變壓器內(nèi)部故障，分解氣體法的應(yīng)用較為成熟[10]。與脈沖電流法和聲測法相比，分解氣體法對水輪發(fā)電機局部放電的在線監(jiān)測不易受電磁信號、電磁振動等干擾；與光測法相比，分解氣體法可以檢測到不易探測位置的放電。由于氣體具有流動性，氣體傳感器可以和檢測位置分離，實現(xiàn)非接觸式、非侵入式監(jiān)測[11]。因此，使用分解氣體法對水輪發(fā)電機定子線棒進行在線監(jiān)測具有廣泛的應(yīng)用前景。

定子線棒主絕緣是水輪發(fā)電機絕緣系統(tǒng)中最重要的部分，它直接影響電機的經(jīng)濟、技術(shù)指標(biāo)，也在很大程度上決定了水輪發(fā)電機運行的安全性和可靠性[12]。目前，對水輪發(fā)電機定子線棒故障分解氣體的研究相對較少。L LOUIS 等[13]、C MILLET等[14]研究了水輪發(fā)電機定子槽部放電產(chǎn)生的臭氧濃度，提出可以通過臭氧濃度來反映水輪發(fā)電機故障，并認為可以通過不同位置的臭氧濃度情況確定故障位置。

使用分解氣體法對水輪發(fā)電機定子線棒過熱和放電早期故障進行監(jiān)測，需要研究定子線棒在過熱和局部放電故障下的氣體生成規(guī)律。本研究針對水電站實際使用的新、舊定子線棒搭建熱解和放電實驗平臺，并使用高靈敏度的氣體分析儀器對實驗過程中的氣體衍生物進行分析，得到定子線棒在過熱和放電故障中分解氣體的生成規(guī)律。

1 定子線棒故障產(chǎn)氣基本原理

1.1 定子線棒熱解氣體生成原理

定子線棒熱解氣體主要來自主絕緣中的環(huán)氧樹脂材料，環(huán)氧樹脂熱解屬于大分子無規(guī)則裂解，對于無規(guī)則裂解和熱解氣體的形成機理可以用自由基反應(yīng)理論進行解釋[15]。自由基也稱游離基，是指由于共價鍵均裂而生成的帶有未成對電子的碎片。自由基反應(yīng)是指具有未成對電子的原子或分子參與的化學(xué)反應(yīng)，可以用式（1）～（4）表示。

式（1）表示自由基的引發(fā)，式（2）和式（3）表示自由基鏈的增長，式（4）表示自由基鏈的終止。在熱解過程中，定子線棒中環(huán)氧樹脂的分子鏈發(fā)生無規(guī)則裂解生成自由基，然后自由基發(fā)生分子內(nèi)或分子間轉(zhuǎn)移反應(yīng)，奪取其他碳原子上的氫或氧，從而導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂而生成各種烴類以及含氧有機氣體。

1.2 定子線棒表面局部放電氣體生成基本原理

水輪發(fā)電機定子線棒表面的局部放電是在空氣背景下的放電，在空氣中放電生成O3和CO 的主要反應(yīng)路徑如表1 所示，其中R1、R2、R3、R4 是反應(yīng)的最初驅(qū)動力[11,16]。當(dāng)空氣中電場強度較大時，會產(chǎn)生能量較大的自由電子，空氣分子與之碰撞后發(fā)生電離或分解為原子，自由電子能量越大，空氣分子電離和分解的概率也越大。所以，自由電子密度越大，反應(yīng)物的產(chǎn)量也越大。從空氣放電衍生物反應(yīng)路徑也可以看出，在放電中產(chǎn)生和消耗O3的反應(yīng)同時存在。

表1 空氣放電衍生物主要化學(xué)反應(yīng)Tab.1 Main chemical reactions of air discharge derivatives

定子線棒表面局部放電會使線棒表面SiC 半導(dǎo)電層分解，半導(dǎo)電層被破壞后還會導(dǎo)致線棒主絕緣材料分解，主絕緣材料中含有C元素，在放電過程中這些C元素會與O結(jié)合生成CO[17]。

2 實 驗

2.1 試樣

實驗中使用的水輪發(fā)電機定子線棒主絕緣為F級絕緣，主絕緣材料為環(huán)氧玻璃粉云母，它是以粉氧云母為基礎(chǔ)、環(huán)氧樹脂為膠黏劑、玻璃纖維補強的熱固性復(fù)合絕緣材料，厚度為2 mm，耐熱溫度為155℃。為防止發(fā)生局部放電，通常在定子線棒主絕緣外表面刷SiC 半導(dǎo)電涂層。另外，在安裝定子線棒時向定子線棒和鐵心之間注入半導(dǎo)電膠。實驗的研究對象為兩種水輪發(fā)電機的定子線棒，一種為新線棒，另一種為使用10 年的舊線棒，舊線棒部分表面覆蓋有半導(dǎo)電硅膠。實驗中，沿軸向截取長為40 mm 的定子線棒，再沿軸向剖開后去除內(nèi)部銅導(dǎo)體，試樣實物如圖1所示。

圖1 試樣實物圖Fig.1 Physical image of sample

2.2 定子線棒熱解實驗平臺

定子線棒熱解實驗平臺由加熱裝置、冷卻管、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）和CO 分析儀等部分組成，如圖2所示。

圖2 定子線棒熱解實驗平臺Fig.2 Experimental platform of pyrolysis for stator bar

加熱裝置由加熱臺、熱解氣室和測溫系統(tǒng)組成，加熱臺溫度設(shè)置為50～350℃；熱解氣室由不銹鋼加工而成，容積為1.4 L，通過兩個閥門和外部氣路相連，實驗過程中熱解氣室為氣密狀態(tài)，為避免橡膠或塑料O 型密封圈分解產(chǎn)生氣體對實驗結(jié)果造成影響，實驗中使用空心金屬O 型密封圈對熱解氣室進行密封；測溫系統(tǒng)由T 型熱電偶和溫度顯示儀表XMT614組成，測試溫度為-200～400℃。

定子線棒熱解氣體主要來自空氣環(huán)境下環(huán)氧樹脂的熱解產(chǎn)物，主要氣體產(chǎn)物包括CO、CO2和各種烴/醛類氣體。實驗中使用GC-MS 和CO 分析儀對熱解氣體產(chǎn)物進行定性和定量分析。GC-MS 儀器為島津公司生產(chǎn)的GCMS-QP2010SE 型，其可以對氣體產(chǎn)物進行定性和定量分析，進樣方式為微量注射器進樣，試樣氣體積為500 μL；氣相毛細管色譜柱為Agilent 公司生產(chǎn)，規(guī)格為60 m×0.32 mm×5 μm，載氣為氦氣，其純度大于99.999%[18]。質(zhì)譜檢測條件為：離子源為70 eV EI 源，接口溫度為200℃。由于GC-MS 測試時O2和CO 出峰時間重合，導(dǎo)致無法對CO 進行有效的定性和定量分析，研究中使用CO 分析儀對熱解實驗中的CO 濃度進行檢測。CO分析儀型號為GXH-3011N型，是根據(jù)不分光紅外線（NDIR）原理、朗伯-比爾定律和氣體對紅外線有選擇性吸收的原理設(shè)計而成。光學(xué)結(jié)構(gòu)采用氣體濾波相關(guān)技術(shù)及高靈敏度探測器，儀器對CO 的檢測范圍為0～500 μL/L，靈敏度為1 μL/L。

為避免熱解產(chǎn)生的高溫氣體對儀器造成損壞，在熱解氣室的出氣口串聯(lián)長為2 m 的無氧銅管使氣體冷卻后再進行分析，實驗中氣路氣體流速控制為1 L/min。

2.3 定子線棒放電實驗平臺

為模擬定子線棒表面的局部放電，搭建了定子線棒放電模擬實驗平臺，實驗平臺由電路和氣路兩部分組成，如圖3所示。

圖3 定子線棒表面局部放電實驗平臺Fig.3 Experimental platform of surface partial discharge for stator bar

電路部分主要由高壓電源、限流電阻、針板電極和局放檢測儀等組成。其中高壓電源為150 kV無局放試驗變壓器；限流電阻阻值為10 kΩ；針電極為不銹鋼材料，針尖曲率半徑約為0.05 mm，板電極直徑為75 mm，板電極上放置直徑為20 mm、高為30 mm 的絕緣支柱，試樣被絕緣支柱支撐在板電極上。為模擬定子線棒外表面的局部放電，將線棒外表面和針尖距離設(shè)置為0.5 mm。局部放電檢測采用脈沖電流法的檢測系統(tǒng)，可以測量放電次數(shù)、最大放電量等參數(shù)。

當(dāng)放電發(fā)生在線棒外表面時，會使空氣和線棒外表面材料分解，產(chǎn)生O3、氮氧化合物和CO 等氣體衍生物。根據(jù)文獻[11]的研究結(jié)果，空氣環(huán)境放電的主要氣體產(chǎn)物中，O3的濃度遠大于氮氧化合物的濃度，所以選取O3和CO作為研究對象。

氣路部分主要由放電氣室、CO 分析儀和臭氧監(jiān)測儀等組成。放電氣室的容積為4 L；CO 分析儀與定子線棒熱解實驗中的相同。紫外光度法是目前環(huán)境行業(yè)推薦的臭氧監(jiān)測方法，它是利用臭氧對253.7 nm 處紫外光的特征吸收，檢測紫外光通過不含有臭氧的空氣樣品和樣品氣進入吸收池后的光強I0和I，根據(jù)朗伯-比爾定律，得到臭氧濃度，其原理如式（5）所示[19]。

式（5）中：α為臭氧在光波長為253.7 nm 處的吸收系數(shù)，其值為1.44×10-5m2/μg；C為臭氧濃度，單位為μg/m3；l為吸收池中的光程，單位為m。實驗中使用的臭氧監(jiān)測儀為美國2B公司生產(chǎn)的Model106L型，其量程為100 μL/L，分辨率為0.1 pL/L。

根據(jù)環(huán)保 部 標(biāo) 準(zhǔn)HJ 590—2010[20]和HJ 654—2013[21]對空氣中臭氧的測量要求，測量臭氧的氣路管線須采用玻璃、聚四氟乙烯等不與臭氧反應(yīng)的材料。實驗中氣路管線采用聚四氟乙烯塑料管，氣路中氣體流速為1 L/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 定子線棒熱解實驗

每次實驗前，拆開熱解氣室并使用無水乙醇擦拭氣室內(nèi)壁，待無水乙醇揮發(fā)后，將線棒外表面朝下放置于熱解氣室底部，組裝熱解氣室，然后進行定子線棒熱解實驗。

先將定子線棒的熱解溫度設(shè)置為250℃，對實驗3 h后的熱解氣室氣體使用GC-MS的全掃描模式進行定性分析，只識別到氣體組分中含有N2和CO2，這可能是由于其他氣體濃度太低而無法識別。環(huán)氧樹脂熱解時可能的氣體產(chǎn)物有CO、CO2和各種烴/醛類氣體，所以可以選擇合適的質(zhì)荷比，再使用GC-MS 的離子監(jiān)測（SIM）模式對熱解氣體進行分析。通過比對美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，所選擇的氣體組分及其質(zhì)荷比如表2所示。

表2 氣體組分及其質(zhì)荷比Tab.2 Gas components and mass charge ratios

將熱解溫度設(shè)置為250℃，實驗3 h 后，使用GC-MS的離子監(jiān)測模式分別對新、舊定子線棒熱解氣體進行分析，熱解氣體組分如表3所示。

表3 熱解氣體組分Tab.3 Pyrolysis gas components

3.1.1 新定子線棒熱解實驗

將熱解溫度分別設(shè)置為100、120、150℃，對新定子線棒進行9 h 的熱解實驗，每隔3 h 對熱解氣體進行一次分析，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，熱解溫度不高于150℃時，定子線棒熱解氣體中只檢測到CO 和CO2兩種氣體。溫度為100、120、150℃時，CO 濃度變化率分別為0.97、2.27 和3.93(μL/L)/h，CO2濃度變化率分別為3.47、4.60 和14.8(μL/L)/h。當(dāng)熱解溫度升高到250℃，實驗3 h 后在熱 解 氣 體 中 檢 測 到CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C4H10、CH3Cl、C6H6和C2H4O 等氣體，其中濃度較大的氣體組分有CH4、C2H4、C2H6、C3H6和CH3Cl，實驗結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，250℃時，CO、CO2濃度增速非常大，濃度變化率分別為883、1 182.7 (μL/L)/h；CH4、C2H4、C2H6、C3H6、CH3Cl 的濃度增速相對較小，濃度變化率分別為13、3.43、3.37、24.6、7.3 (μL/L)/h，濃度變化率從大到小依次為CO2、CO、C3H6、CH4、CH3Cl、C2H4、C2H6。

圖4 新定子線棒熱解氣體生成規(guī)律Fig.4 Pyrolysis gas generation law of new stator bar

圖5 250℃時新定子線棒主要熱解氣體生成規(guī)律Fig.5 Main pyrolysis gas generation law of new stator bar at 250℃

3.1.2 舊定子線棒熱解實驗

將熱解溫度分別設(shè)置為100、120、150℃，對舊定子線棒進行9 h 的熱解實驗，每隔3 h 對熱解氣體進行一次分析，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，熱解溫度不高于150℃時，舊定子線棒的熱解氣體組分只有CO和CO2。溫度為100、120、150℃時，CO濃度變化率分別為0.93、2.70、11.93 (μL/L)/h，CO2濃度變化率分別為3.44、5.73、24.36 (μL/L)/h。當(dāng)熱解溫度升高到250℃時，實驗3 h 后在熱解氣體中出現(xiàn)了CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C4H10、CH3Cl、C6H6和C2H4O等氣體，其中濃度較大的氣體組分有CH4、C2H4、C2H6、C3H6和CH3Cl，如圖7 所示。從圖7 可以看出，當(dāng)溫度250℃時，CO、CO2濃度增速非常大，濃度變化率分別為907、1 622.3 (μL/L)/h；CH4、C2H4、C2H6、C3H6和CH3Cl 的濃度增速相對較小，濃度變化率分別為31.8、4.7、3.2、3.6、2.1 (μL/L)/h，濃度變化率從大到小依次為CH4、C2H4、C3H6、C2H6、CH3Cl。

圖6 舊定子線棒熱解氣體生成規(guī)律Fig.6 Pyrolysis gas generation law of old stator bar

圖7 250℃時舊定子線棒主要熱解氣體生成規(guī)律Fig.7 Main pyrolysis gas generation law of old stator bar at 250℃

根據(jù)水輪發(fā)電機新、舊定子線棒的熱解實驗結(jié)果，定子線棒熱解會產(chǎn)生CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C4H10、CH3Cl、C6H6和C2H4O 等 氣 體。其 中CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6、CH3Cl 在常溫下呈氣態(tài)，適合作為水輪發(fā)電機定子線棒高溫故障特征氣體。CO 和CO2在100℃時就已經(jīng)產(chǎn)生，隨著溫度的升高，CO 和CO2的濃度增速最快，熱解氣體中出現(xiàn)了CH4、C2H4、C2H6、C3H6和CH3Cl。對于新、舊定子新棒，CH4、C2H4、C2H6、C3H6和CH3Cl 的生成速率大小有所區(qū)別，這可能是由于線棒型號及使用時間不同所致。

3.2 定子線棒局部放電實驗

每次放電實驗前，拆開放電氣室并使用無水乙醇擦拭電極及氣室內(nèi)壁，待無水乙醇揮發(fā)后，將線棒內(nèi)表面朝下放置于板電極的絕緣支柱上，然后組裝放電氣室，將氣室抽真空后充入1個大氣壓空氣，此過程重復(fù)5次，然后進行定子線棒放電實驗。

打開氣閥1 和氣閥2，關(guān)閉氣閥3，使氣路處于開放式狀態(tài)。分別對新定子線棒外表面材料、舊定子線棒外表面材料和半導(dǎo)電硅膠進行局部放電實驗，對實驗中的O3和CO氣體進行在線監(jiān)測。

3.2.1 新定子線棒局部放電實驗

將放電電壓設(shè)置為8.1 kV，試樣為新定子線棒，使用臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度如圖8所示。從圖8 可以看出，O3濃度在放電起始階段增速較快，在放電20 min 左右達到飽和。實驗中CO 分析儀未在氣路中檢測到CO。

圖8 O3濃度隨時間變化曲線Fig.8 The curve of O3 concentration change with time

為了研究更高放電強度下是否會檢測到CO，另外也為了驗證O3濃度與放電電壓的正相關(guān)性，更換新定子線棒試樣，將放電電壓提高到8.7 kV。結(jié)果放電過程中CO 分析儀仍未檢測到CO，放電后的試樣表如圖9 所示。從圖9 可以看出，放電后新定子線棒表面有碳化坑和電腐蝕痕跡，碳化坑是由于電離后的離子轟擊線棒表面形成的，電腐蝕是由于放電過程中產(chǎn)生的腐蝕性氣體衍生物，如硝酸、臭氧，和線棒材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，定子線棒材料會在電離和電腐蝕作用下逐漸劣化。使用臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度如圖10 所示。從圖10 可以看出，O3濃度在放電約120 min 后才達到飽和，說明隨著放電電壓的升高，O3的生成速率增大。

圖9 放電后新定子線棒表面Fig.9 Surface of the new stator bar after discharge

圖10 新定子線棒O3濃度隨時間變化曲線Fig.10 The change curve of O3 concentration of new stator bar with time

在對新定子線棒進行8.7 kV 放電實驗后，將放電電壓調(diào)低至0 kV，關(guān)閉氣閥1 和氣閥2，打開氣閥3，使氣路處于封閉循環(huán)狀態(tài)，記錄O3濃度隨時間的變化，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，O3濃度在放電結(jié)束后迅速減小，所以對發(fā)電機局部放電中產(chǎn)生的O3濃度進行監(jiān)測時，只能采用在線監(jiān)測的方式。

圖11 放電結(jié)束后O3濃度隨時間的變化曲線Fig.11 The curve of O3 concentration change with time after discharge

3.2.2 舊定子線棒局部放電實驗

將放電電壓設(shè)置為8.1 kV，試樣換為舊定子線棒，放電后舊定子線棒表面如圖12 所示。從圖12可以看出，線棒表面由于電離而形成的碳化坑。使用臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度如圖13 所示，與圖8對比可以看出，在同樣的放電電壓下，舊定子線棒的O3生成速率更大。

圖12 放電后舊定子線棒表面Fig.12 Surface of the old stator bar after discharge

圖13 舊定子線棒O3濃度隨時間變化曲線Fig.13 The change curve of O3 concentration of old stator bar with time

3.2.3 半導(dǎo)電硅膠局部放電實驗

將放電電壓設(shè)置為8.1 kV，將舊定子線棒表面半導(dǎo)電硅膠置于針電極下。使用臭氧監(jiān)測儀檢測到的O3濃度如圖14 所示。由圖14 可知，O3濃度在放電開始后迅速增大，說明此時O3的生成速率很大，放電10 min 后O3濃度增速明顯緩慢。實驗后，半導(dǎo)電硅膠表面沒有發(fā)現(xiàn)碳化坑和電腐蝕痕跡，說明半導(dǎo)電硅膠具有較強的抗電暈?zāi)芰Α?/p>

圖14 O3濃度隨時間變化曲線Fig.14 The curve of O3 concentration with time

根據(jù)對新、舊定子線棒表面材料和半導(dǎo)電硅膠的局部放電實驗，O3很適合作為定子線棒表面局部放電的特征氣體，新定子線棒表面局部放電中O3的生成速率最低，半導(dǎo)電硅膠表面局部放電中O3的生成速率最高。放電后，新、舊定子線棒表面有明顯的放電破壞痕跡，而半導(dǎo)電硅膠表面則觀察不到放電破壞痕跡，說明半導(dǎo)電硅膠具有較強的抗電暈?zāi)芰?。實驗中可能由于CO 濃度過低，未檢測到CO 的存在。

4 結(jié) 論

本文搭建了水輪發(fā)電機定子線棒熱解實驗平臺和放電實驗平臺，使用氣體監(jiān)測儀器對高溫和局部放電故障下的分解氣體進行研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）雖然定子線棒為F 級絕緣，但在100℃時已經(jīng)發(fā)生熱解，所以即使在允許的工作溫度范圍內(nèi)，定子線棒的工作溫度也不宜偏高。

（2）CO和CO2可以作為水輪發(fā)電機定子線棒高溫故障的早期特征氣體組分，CH4、C2H4、C2H6、C3H6和CH3Cl可以作為高溫故障進一步惡化的特征氣體組分。

（3）O3適合作為發(fā)電機定子線棒放電故障的特征氣體，因其性質(zhì)非常活潑，必須對其進行在線監(jiān)測；定子槽中填充的半導(dǎo)電硅膠具有較強的抗電暈?zāi)芰Γ以诜烹姲l(fā)生時，半導(dǎo)電硅膠O3的生成速率更大。

水輪發(fā)電機內(nèi)部電磁環(huán)境惡劣、振動較強，不利于使用接觸式傳感器對其進行在線監(jiān)測，而采用氣體傳感器則可以對水輪發(fā)電機實現(xiàn)非接觸式在線監(jiān)測，具有明顯的優(yōu)勢。