楊姍姍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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高壓電機定子繞組主絕緣擊穿原因分析

楊姍姍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要分析了高壓電機定子繞組在試驗中出現主絕緣擊穿的原因，以及電機長期運行過程中，定子繞組在電流過載，浸漆工藝控制不當，端部放電距離不足、局部放電等因素共同作用下造成的主絕緣故障，并提出了相應的解決措施。

關鍵詞局部放電；主絕緣擊穿；放電距離；氣泡

0引言

高壓電機定子繞組絕緣系統包括股絕緣、匝絕緣、主(對地)絕緣，這些部件特性各不相同，組合在一起的作用是確保不能發(fā)生電氣短路，保證定子導體上I2R損耗生成的熱量能被傳導到散熱裝置上，并抵抗磁場力的作用使導體不發(fā)生振動。本文將結合我公司生產YKK630 6.6kV 500kW-6出廠試驗擊穿及TAW950 10kV 2150-18端部局部放電故障加以說明。

1交流耐壓絕緣擊穿原因

1.1　交流耐壓試驗原理

交流耐壓試驗在被試電機額定電壓2U額+1000V以上進行，從介質損失的熱擊穿觀點出發(fā)，可以有效的發(fā)現局部游離性缺陷及絕緣老化的弱點(比如主絕緣內部氣泡)。由于在交變電壓下電機繞組主要按介質電容分壓，故能有效地暴露電機的絕緣缺陷。

1.2　交流耐壓主絕緣擊穿原因

高壓電機在出廠試驗及電機交接驗收時，繞組對地絕緣擊穿，主要考慮應從定子繞組制造工藝性方面考慮。高壓電機繞組制造工序比較繁瑣，分為定子線圈繞制、熱壓型、絕緣包扎、定子嵌接線、定子浸漆等工序。

1.2.1線圈制造

高壓定子線圈由于電磁設計結構的不同，存在多匝數雙排繞制情況。當此種線圈的寬窄比在6mm以上且電磁線窄邊比較薄時，就容易出現電磁線絕緣厚度累積公差，導致線圈雙排線之間形成高度差，在熱壓型工序沒有及時復型將導致絕緣包扎后將在線圈中形成小的氣隙，同時若云母帶有分層、斷帶及包扎層數不足情況，浸漆后將影響絕緣厚度及絕緣介質分布，從而最終導致繞組出廠耐壓時對地絕緣擊穿。

1.2.2繞組浸漆

繞組浸漆至關重要，定子整體的VPI處理，可以消除主絕緣間的空穴以改善熱傳導，防止導體運動，減少局部放電的產生。如果浸漆不充分或不完全缺失，繞組在出廠耐壓及交接驗收時，經歷2U額+1000V耐壓1min試驗，電機會因為主絕緣介質不均勻及有缺陷而發(fā)生局部放電，加快分子被電場力所拉開的電擊穿和撞擊游離式的電擊穿。我公司生產多臺YKK630 500kW-6電機由于同批次浸漆參數控制不當，導致出廠試驗時出現連續(xù)破壓故障，經拆檢發(fā)現電機繞組線圈有未浸透跡象(見圖1)，從而導致電機不到1min發(fā)生主絕緣對地擊穿故障。

圖1　未浸透主絕緣擊穿

2局部放電導致的主絕緣擊穿

在額定電壓6kV以上的線圈中，在主絕緣內部或線圈表面上可能產生局部放電。如果主絕緣中存在一個空氣泡(絕緣發(fā)空或分層)，電場強度高到使空氣擊穿，就會導致電火花。電火花會腐蝕絕緣，如果不采取措施，反復的放電會最終在主絕緣上腐蝕出一個貫穿性的孔洞，導致絕緣失效故障。

2.1　局部放電擊穿原理

局部放電擊穿原理可用一個電容分壓器的電路來等效這個過程(見圖2)，就可以計算出氣泡上的電壓。假設氣泡是一個平板電容，那么可以先估算它的電容近似值，即

Ca=εA/da

(1)

ε=εrε0

(2)

式中，εr—相對介電常數；空氣的相對介電常數為1.0，多數繞組絕緣材料介電常數為4.0;ε0—真空介電常數，等于8.85×10-12F/m;A—氣隙的截面面積；da—氣隙的厚度。

(a)線圈橫截面

(b)等效電路

氣泡的電容Ca與代表固體絕緣材料的電容Cin串聯。再利用式(1)，并假設固體絕緣材料的相對介電常數為4，絕緣材料電容的厚度為4mm。那么絕緣材料的電容量可以先估算出來。 參照圖1通過簡單的電路理論，可以算出氣泡的電壓Ua為

UaCa= UinCin

U0= Ua+ Cin

Ua= CinU0/ Ca+Cin

(3)

式中，若U額=10 kV，線圈處于相出線端則U0=5.77 kV，利用式(1)及式(3)可計算出氣泡上的電壓Ua=33%U0=1.9 kV,推算出氣泡上的電場強度E=Ua/da=3.8kV/mm，已超過了空氣的擊穿強度3kV/mm，氣泡中將會電氣擊穿，擊穿導致的電火花被稱為局部放電。這些放電對主絕緣是有害的。因為反復的局部放電通過打斷化學鍵最終會使固體絕緣劣化。

2.2　電流過載與局部放電引起的擊穿

如果電機運行中，定子電流在幾分鐘之內從空載轉為滿載或過載，銅線的溫度將迅速增加，銅線就要沿軸向膨脹，而此時，環(huán)氧-云母主絕緣溫度則非常低，因為熱量從銅線穿過主絕緣傳遞到鐵心需要耗費幾分鐘時間，造成溫度升高銅線膨脹，而主絕緣膨脹較少，這就會在銅線和主絕緣之間產生軸向的剪切應力，電機經多次熱循環(huán)后就會使粘結疲勞，使銅線與主絕緣之間產生氣隙，空氣間隙處產生局部放電最終會在主絕緣上形成貫穿性的孔洞，導致主絕緣擊穿。

2.3　浸漆不良導致的局部放電擊穿

高壓電機主絕緣浸漆不充分，將使絕緣導熱率將低，繞組運行溫度偏高，這也導致熱老化和導體振動增加，造成主絕緣磨損，這時連接到相出線端處于高電位的線圈將會發(fā)生局部放電，PD會逐漸在絕緣上腐蝕出貫穿性的孔洞。如果繞組由多匝線圈繞制，而空隙又位于匝間絕緣附近，PD只需腐蝕相對比較薄弱的匝間絕緣，導致匝間絕緣擊穿，從而形成很大的環(huán)流，最終仍是造成主絕緣擊穿。

2.4　半導體涂層故障導致的局部放電擊穿

半導體涂層故障主要由于原材料質量不良(局部涂層表面電阻值過高)及繞組制造過程中野蠻操作至使線圈低阻帶半導體涂層刮損未及時修補造成。如果局部涂層阻值較高的線圈正好處于相出線端，電容電流將從銅導體開始，穿過主絕緣，經過半導體涂層再到鐵心。由于半導體涂層在線圈頂部和底部的窄面以及在通風槽道部位不能直接接觸到鐵心，一部分電容電流必定還要并聯到線棒或線圈的表面流動，如果涂層電阻值較高，沿側面流動的電流會產生一些I2R損耗，使涂層這些部位的局部溫度升高。該溫升加上線圈運行溫度，會導致半導體涂層氧化，又會進一步使其電阻值增加，從而使問題更趨于惡化。另如果半導體涂層制造時已經破損，在線圈與鐵心之間將產生局部放電，而PD將繼續(xù)破壞周圍的半導體涂層，并逐步破壞主絕緣，最終導致主絕緣擊穿。

2.5　繞組端部間距不足導致的局部放電擊穿

高壓6kV以上電機繞組的環(huán)形引線之間，線圈連接線的絕緣處及端部引出線上，盡管所處位置不同，但如果它們靠的太近，就可能發(fā)生局部放電，特別是當他們分屬不同相別時更是如此。因為不同相別的相鄰線圈可能會承受全值額定電壓，當線圈間隙之間曾受的電場強度超過3kV/時，空氣將被擊穿，就會產生局部放電，在放電區(qū)域將會產生大量白色粉末。長期運行將影響主絕緣。圖3為我公司生產的TAW950 2150-18由于高壓線路排列散亂無序，相與相間無放電距離，導致的局部放電故障圖例。

圖3　高壓線路相鄰異相相間無放電距離導致的白色粉末

3提升主絕緣介電強度措施

提升高壓電機主絕緣介電強度，首先必須加強生產制造工序的控制，即嚴格執(zhí)行浸漆烘干參數，定期對絕緣漆的黏度等性能指標進行抽檢，對浸漆設備的真空度、壓力等參數進行定期檢查；線圈制造過程中嚴格控制云母帶及低阻帶等絕緣材料的質量，防止由于材料問題形成的故障隱患；另繞組制造過程應杜絕野蠻操作，絕緣刮損的應及時修補并控制繞組兩端端部尺寸一致，嚴格按工藝要求的放電距離進行高壓線路排列布線，避免電機長期運行出現局部放電的隱患。

另電機運行過程也應避免負荷突然的增加或減少，使鐵心、銅導體和絕緣的發(fā)熱盡可能的均衡，減少線圈收縮和膨脹之間的差異。

4結語

高壓電機定子繞組主絕緣擊穿故障，多數由線圈及繞組制造不良導致。因此加大線圈制造工序操作細節(jié)方面的控制(遇到質量問題及時調整工藝，不傳遞不合格品)，才能提升線圈的制造質量。同時在下、接線過程中杜絕野蠻操作損傷絕緣，嚴控繞組各種尺寸及接線距離。并加大對特殊工序(浸漆工藝流程)關鍵參數的控制，才能最有效的提升繞組的制造質量，從根本上提升高壓電機繞組可靠性。

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Reason Analyses on Main Insulation Breakdown of

High-Voltage Motor Stator Windings

YangShanshan

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper analyzes the reason why main insulation breakdown of high-voltage motor stator windings occurs during the test, and why main insulation fault of motor during long time running caused by combined actions such as current overload of stator windings, improper control of immersion paint, insufficient distance of end discharge and partial discharge. Then relevant solutions are proposed.

Key wordsPartial discharge；main insulation breakdown；discharge distance；bubble

收稿日期：2015-09-25

作者簡介：楊姍姍女1982年生；畢業(yè)于黑龍江科技學院電子信息工程專業(yè)，現從事電機制造工藝工作.

中圖分類號：TM303.4

文獻標識碼：B

文章編號：1008-7281(2015)06-0041-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.13