水轮发电机定子线圈

水轮发电机定子线圈

采用环氧云母绝缘制成的新式大型水轮发电机定子绕组的预期寿命是50年以上[1]。最近一项与加拿大电气协会有关组织所赞助的对新式和老式绝缘系统的全球调查显示, 定子绕组在重新绕制前可正常运转50年[2]。但有一些迹象表明，在过去十多年所生产的发电机寿命是无法达到50年的。

决定定子绕组寿命的关键因素是被使用作为隔离高电压铜导体及定子铁芯的电气绝缘。比起定子绕组内其他的组成材料如铜或钢, 绝缘材料有较低的熔点和较弱的机械强度。结果是，随着运转时间的增长, 绝缘是最有可能发生老化及恶化，最终导致接地故障。另一个可能出现故障的是铜导体- 特别是线棒没有被牢靠的固定在线槽内(因此产生振动)，或两个线棒间焊接品质不良。

遗憾的是，现在要对过去十年所生产的发电机定子绕组的预期寿命有相同或较低稳定度的统计进行证明还言之过早。然而, 在线局放测试[3]已被世界各地的发电公司采用, 侦测发电机运行中定子绕组可能发生的绝缘问题和连接问题。在说明近期水轮发电机的故障现象前，从数千台电机上采集的局放数据与老旧机组比较后，显示了定子绕组问题似乎是过去十年中较普遍发生的故障。最后, 讨论发电公司如何确保定子绕组的长期寿命。

局放量大小与电机制造年代的关系

在对数以千计的电动机和发电机所采集的在线局放数据分析后发现, 一些电机制造厂在过去十年所生产的电机定子绕组的局放量超过他们10年前所生产的电机定子绕组的局放量[4]。例如, 图1显示位于欧洲、北美和日本的大型电机制造商在不同年代生产的定子绕组局放量与生产年代的关系。这些电机包含了13-15kV的空冷型机组。这一数字显示，四家电机制造厂于2003年所出厂电机的局放量比1995年前出厂的电机局放量明显高出许多。而高的局放量通常代表了定子绕组绝缘正快速老化,同时存在电气接触不良的隐

患。高的局放幅值是对近期制造的电机定子一个值得关心的客观资讯。

图一：9个电动机及发电机制造厂家定子绕组制造或重新绕制的年代与其局放值的关系。大多数局放测试于2003年。

定子绕组的故障

防晕涂层的问题

大部分电压高于6 千伏的定子绕组，位于线槽内的线棒或线圈表面都会涂上/包上掺入石墨的涂层或绷带。这个“半导体”涂层防止了存在于线圈表面与铁芯间无可避免的间隙所发生的局放。此外,大多数电机制造商对靠近线槽出口端10厘米左右的线圈表面涂上/包上掺有硅碳的涂层或绷带。这种硅碳涂层（防晕涂层）与小部分的半导体涂层重叠，可以降低发生在半导体涂层末端的高电场。

1970年代, 因制造过程的涂层问题, 导致许多的电机出现了非常高的局放量和高臭氧浓度。原因似乎是来自半导体涂层及防晕涂层没有均匀的分布于绝缘表面或施工时造成涂层与绝缘表面间的微小空隙。这两种情况都会造成局放的产生。局放会引起臭氧进而对涂层表面及绝缘造成化学腐蚀（不是指热交换器金属和橡胶部件），并进一步扩散。如果绕组绝缘运行在高电压应力和/或高温条件下，这一问题会更严重。如下面讨论的，现今制造的绕组绝缘，比起过去更薄且工作在更高温度下[6]。也许正是因为这个原因，这类故障现象在过去几年一直重现。

图二显示了一部水轮发电机在半导体涂层及防晕涂层的交界处有非常明显的白带现象。图三显示了因半导体涂层的涂抹工艺不当, 导致线槽内线棒的半导体涂层已消失。这个现象通常仅发生在11千伏（含）以上的空冷型机组。

图二：由于半导体涂层的涂抹工艺不当或没有适当的防晕涂层，在两个涂层的交界处有非常明显的退化现象（显现白带处）。

图三：显示了因半导体涂层的涂抹工艺不当引起的局放及臭氧，破坏线槽内线棒的表面涂层。槽楔已被取下，图片中白色的区域显示了涂层已消失。

定子槽内的绕组松动

绕组松动对于采用热固化绝缘系统（如环氧云母）的定子而言, 一直是个长期存在的问题。第一个被报导的实例发生于50年前[1、5]。故障问题的根源是电机在满载运转时，如果线棒未被紧紧的固定在线槽内，会有相当于二倍电源频率的电磁力施加于线棒上，使其在槽内产生运动。因此，主绝缘会与如锉刀般的铁芯相摩擦。首先线棒或线圈表面的半导体涂层会被磨蚀掉, 紧接着是主绝缘受损。这种故障通常称为槽内放电，因为一旦导电涂层表面被磨损，局部放电就会在线棒表面和铁芯间的空隙产生,进一步加速绝缘的恶化。

图四显示了正在从槽内取出的一根定子线棒, 其表面的半导体涂层和约30％的主绝缘厚度已被磨损。这是由于电机制造厂没有采用合适的线棒固定措施, 例如侧面填充材料, 波纹弹簧板, 对头槽楔, 及槽内适形材料等等。可能的原因是为了降低制造成本。

图四：由于发电机槽内没有足够的侧面填充材料或径向紧固槽楔, 导致绕组松动造成线棒磨损。线棒正被从线槽中取出以进行更换。

振动火花

与发生在槽内的线棒松动相似的问题是振动火花(有时称为火花侵蚀)。其发生的前提是线棒松动(非采用整体浸渍制成的传统绕组)。另一重要因素是制造厂在槽内的线棒表面使用的半导体涂层导电率过高[7、8]。因此,当槽内的线棒松动,线棒的表面与铁芯就会形成隔离, 在线棒表面的半导体涂层,矽钢片及铁芯背部的定位筋间会形成一个电流回路。在铁芯上的主磁场作用下, 如果半导体涂层有足够的导电性, 电流就会在这个回路流动。由于线棒振动, 使得线棒表面涂层与铁芯失去接触,进而产生火花并破坏线棒绝缘。这种故障源于两种原因，设计欠佳或制造质量问题所引发。

这种故障的破坏力是非常惊人的,可在5年内就使电机发生故障。虽然大多数的电机制造厂都非常谨慎的涂上具最小电阻的半导体涂层, 但下方显示了一部10年的汽轮发电机因过高导电率的半导体涂层而导致故障(图5)。振动火花是由于磁场所引发的, 会发生在绕组的任何部位,与仅仅会发生在靠近高压出线端部位的槽放电不同。

图五：因振动火花造成电机故障的线棒正被从线槽中取出, 这根线棒是位于绕组的中性点附近。

端部绕组放电

高压绕组与来自邻近不同相位的另一绕组间, 必须有一定的间隔,否则在绕组间的空气中就会产生局部放电。这个放电将逐渐的侵蚀主绝缘,并导致相对相短路故障。电机的电压愈高,主绝缘愈薄,绕组间距必须更大[5]。

不幸的是,我们发现近几年制造的水轮发电机, 因绕组间距不足而引发高局放(及臭氧)。图6显示来自不同相位的两根绕组, 因间距不足产生放电(及臭氧)并形成白粉残留。图7显示出同一现象, 来自不同相位的两路汇流环。二个案例皆是因间距不足引发局放及臭氧对绝缘的破坏, 如果绝缘材料是环氧云母, 这将是缓慢的破坏过程。但是, 如果局放发生在线棒连接处的端盒间, 因为此处的材料通常是对局放抵御力较低的环氧树脂(而非环氧云母), 因而故障将会更快的来临。

图六：显示来自不同相位的高压绕组, 因间距不足产生放电。图中显示各绕组间的间距是不规则的, 这是明显的制造质量问题。