定子绕组绝缘的老化和处理

定子绕组绝缘的老化和处理

寇世锋

寇世锋

（四川金惠电业有限公司四川天全625500）

摘要：造成定子绕组绝缘损坏故障的根本原因是绕组绝缘老化，发电机在运行中温度、电压及电磁力，对绕组黑色沥青云母绝缘的老化起着决定性作用；目前处理方式有定子绕组首尾倒位或在条式线棒中主绝缘与股线的间隙内灌注环氧树脂复合剂。

关键词：定子绕组绝缘；老化原因；处理方法

一、引言

我国建国初期自己制造和从国外进口的水轮发电机的绕组绝缘，基本上采用了黑色沥青云母绝缘。实践证明，这类机组运行15-20年就开始大量的出现绝缘损坏故障。如丰满水电厂从前苏联进口的5-8号机组、我国制造的新安江水电厂机组、云峰水电厂从前苏联进口的4号机组等，在运行中出现过大量的绕组绝缘损坏故障，造成了很大的经济损失。有时在机组正常运行中绕组绝缘被击穿；有时在正常的预防性试验中绕组绝缘被击穿；有时在运行中股线短路烧断，造成绕组绝缘烧损；有时股线断裂磨细刺穿主绝缘造成绕组接地；有时在发电机运行中两相绕组绝缘同时击穿，造成定子绕组两相短路接地，烧坏绕组和定子铁芯等。

二、定子绕组绝缘老化原因

造成绝缘损坏故障的根本原因是绕组绝缘老化。发电机在运行中温度、电压及电磁力，对绕组黑色沥青云母绝缘的老化起着决定性作用。

1.在温度作用下绝缘的老化

（1）对绕组绝缘有着影响的温度来源：一是绕组铜损所产生的热，一部分经过主绝缘辐射到通风沟送到空冷器；另一部分经过主绝缘到铁芯齿部。二是铁芯损耗所产生的热，它可分为齿部损耗产生的热和轭部损耗所产生的热。实践证明，发电机带负荷运行时，绕组最热，其次是铁芯齿部和轭部。发电机带负荷运行时，绕组中有交流电流通过，电流在槽内产生交变的横向漏磁场。由于绕组的股线处在交变的磁场中产生感应电势，且沿槽高方向磁通密度大小不同，所以各股线上感应的电势大小不同，造成各股线上产生的涡流损耗也不同。由于股线电流的挤流效应，靠近槽口的股线比靠近槽底的股线的电流密度大，所以上层圈边的附加损耗比下层圈边的附加损耗大。此外，下层圈边三面靠铁芯，即三个散热面，而上层圈边两面靠铁芯，也就是两个散热面，所以下层圈边的散热条件比上层圈边的好，运行中上层圈边的温度比下层圈边的温度高，导致上层圈边受温度的影响，绝缘老化的速度比下层圈边老化的快。

（2）绝缘的老化对绕组散热的影响。机组刚投入运行，绕组的主绝缘受温度的作用下，其端部或鼻部流胶。运行年限长，主绝缘内部的沥青胶一部分挥发掉，一部分变成碎渣或碳化，黏性降低，使主绝缘失去整体性而分层。另外，温度的冷热升降反复变化，沥青干缩，线棒与主绝缘脱壳而形成间隙。发电机运行时绝缘内部的间隙中局部放电，放电温度升到50℃以上时，粘合剂烧光，补强材料等有机物化为灰烬，云母失去结晶水，变成不透明的白色碎片。从解剖故障绕组主绝缘看，脱壳间隙大多数为0.3—0.8mm，间隙内存有大量的白色粉状物及云母碎片。产生间隙后主绝缘的导热性能减少使股线的散热更困难，加剧了绕组的温度上升。又由于温度上升加剧了绝缘的老化，加快了主绝缘脱壳速度，造成间隙更扩大，给股线的松散和振动造成了条件。股线在电磁力外部机械振动的作用下，绝缘逐渐磨损，引起短路，其短路点的高温烧损绕组主绝缘，造成主绝缘击穿。

2.在电压作用下绕组绝缘的老化

大气过电压及发电机内部过电压，对发电机绕组的主绝缘老化危害不太大，而真正绕组的主绝缘老化起作用的是绕组的工作电压，就是指每根线棒对铁芯的电位。此电位高低决定了绕组主绝缘内部气隙中局部放电电压的高低。

（1）主绝缘内部气隙中局部放电损伤绕组主绝缘。绕组的工作电压是按其在支路中所处的位置不同，承受的电位高低就不同。靠近引出线的线棒的电位大小为相电压，靠近中性点时电位逐渐降低，最后到零电位。绕组的工作电压高于主绝缘内部气隙的局部起始放电电压时，气隙内部发生局部放电。

实践证明绕组的工作电压为4000V以上时，主绝缘被局部放电损坏严重，4000V以下时，越靠近中性点的线圈主绝缘被局部放电而损坏的越轻。主绝缘气隙放电时产生的局部高温，使胶合剂碳化，股线绝缘和主绝缘的云母熔化成白色粉沫。局部放电时由于带电粒子高速运动，使云母片上出现很多孔洞，且云母片的边缘似虫蚀，结果主绝缘的厚度减小，机械强度及耐压强度降低。此外，局部放电使气体发生游离时产生的臭氧与氮化合，成为一氧化氮或二氧化氮，再与气隙中的水蒸气反应后形成硝酸，硝酸与铜作用形成硝酸铜，附着在股线绝缘损坏处。硝酸铜对胶合剂和绝缘带等补强材料，也有严重的损伤作用。

（2）线棒与槽壁之间存在间隙时，线棒表面对槽壁发生火花放电，损伤线棒防晕层及外层主绝缘。这种情况往往是由于槽的机械形状和尺寸不合适，嵌线过程中线棒与槽壁间的配合半导体材料没有垫好造成的。如果有间隙时线棒受电磁振动，其表面的防晕层与槽壁碰撞，使防晕层受到机械损伤，其表面的接触电阻逐渐加大，造成防晕层渐渐腐蚀，间隙进一步变大。后果是线棒表面对铁芯槽壁发生火花放电，火花放电时温度很高，且带电粒子沿电场方向高速运动，释放出很大的能量，并激烈的游离碰撞，使防晕外层胶及补强材料熔化或变酥，失去机械强度，严重时外层主绝缘烧成麻点。线棒的工作电压越高槽放电越严重。

为了防止槽放电，嵌线时必须垫好半导体垫条，最好能在槽壁的一侧垫上环氧半导体弹性波纹垫条。用测定槽电位的方法检查槽壁间隙，槽电位应控制在5V以下，如大于5V者必须加垫处理。

综上所述，在电压作用下绕组绝缘的老化是不均匀的。发电机运行中绕组承受的工作电压越高，主绝缘内部或外部的老化损伤越严重。反之绕组承受的工作电压越低，主绝缘的老化损伤越轻。

3.在电磁力的作用下绕组绝缘的老化

（1）线棒股线断裂。条式线棒的沥青云母绝缘在温度场及电压作用下老化后，槽部绝缘发生脱壳或产生间隙，为股线振动提供了空间条件。股线绝缘损伤后，般线处于松散状态，在发电机运行时股线受电磁力的作用下，发生倍频运动，导致股线进一步松散及相互摩擦，甚至变细或疲劳断股。有的股线断股后逐渐穿透主绝缘造成事故。

（2）线棒安装工艺不正确导致主绝缘损伤。线棒安装时，若未掌握工艺要求则容易造成人为的线棒绝缘损伤。如果嵌线时主绝缘产生外伤或内伤，那么在运行中长期受电磁力的振动将扩大伤痕或使主绝缘内部发生硬性劈裂。如果嵌线中各部垫条不适当，槽楔及端部帮扎不牢，线棒受力而变形或受力处应力集中，那么在长期的电磁振动力的影响下，主绝缘也会发生裂纹和分层。

总之，绕组的工作电压越高，主绝缘在电压作用下老化后，主绝缘将脱壳或分层内部产生较大的间隙。这种情况下，股线松散，受电磁振动后股线将振动强烈而导致股线绝缘和主绝缘的老化速度。绕组的工作电压越低时，在电磁力作用下的老化就越轻。

三、定子绕组绝缘老化的处理方法

1.定子绕组首尾倒位

发电机定子绕组的线棒所处在相支的位置不同，承受的工作电压高低就不同。定子绕组的首端第一个线棒承受的电压大小等于发电机的相电压，末端最后一个线棒所承受的电压接近于零，一般为几十伏。运行中线棒承受的电压高低不同，绝缘内部的间隙里局部放电面造成的主绝缘损伤程度就明显不同。工作电压越高主绝缘损伤老化的越严重。以额定电压为13.8kV的发电机为例，工作电压4000V及以上的线棒，局部放电造成内层云母脱水变白，烧成很多孔眼，绝缘材料烧成白色粉末，使主绝缘的厚度变薄，绝缘强度降低。为了充分利用定子绕组中工作电压低的那部分线棒绝缘的潜力，将绕组的首端与末端倒位，即首端变末端，末端变首端。

发电机运行多长时间，进行此项工作为宜呢?这就要根据故障线棒的解剖检查结果，视其绝缘损伤程度而定。一般来讲使用沥青云母绝缘的绕组，运行18-20年后进行绕组的首末端倒位比较合适。

2.在条式线棒中主绝缘与股线的间隙内灌注环氧树脂复合剂

将环氧树脂复合剂灌注在条式线棒主绝缘与股线的间隙内，可恢复和增强主绝缘的耐压强度，延长绝缘的使用寿命。这种方法早在1984-1985年，就使用在老旧的沥青云母绝缘的100MW水轮发电机与25MW汽轮发电机的条式线棒中，并且经过14-15年的运行考验及性能测试的结果证明，方法可行，效果很好，是以较小的投入取得较大效益的措施，非常经济，可以推广应用。

参考文献：

[1]叶水音.电机学—同步电机