高壓電機局部放電測試方法

1、第7章 高壓電機局部放電測試對于低壓電機，影響繞組絕緣壽命的主要因素是機械應力、熱及短時的過電壓的作用。對于高壓電機，影響其繞組絕緣壽命的主要原因除上述因素外，另外一個更主要的因素就是局部放電。對于6kV及以上電壓等級的高壓電機定子繞圈，運行時絕緣內部及表面都可能發(fā)生局部放電。據(jù)統(tǒng)計，電機損壞事故均有50%是電機定子繞組絕緣損壞引起的。而很多繞組絕緣的損壞很多是局部放電造成的。所以，近年來電機中局部放電的測量與防止已為各電機制造廠家和電機使用部門所重視，局部放電的測試已逐漸用于電機絕緣質量的控制和運行可靠性的鑒定。7.1 電機繞組絕緣內部的局部放電 現(xiàn)代高壓電機定子繞組的對地絕緣，多采用環(huán)氧片

2、云母或粉云母連續(xù)式絕緣或環(huán)氧片云母箔或粉云母箔卷烘式絕緣，并有多膠和少膠之分及模壓、液壓和整浸之分。少膠的需真空浸漆(或浸膠)現(xiàn)模壓(整浸的則不壓)，多膠的則一定要模壓液壓成型。 不論多膠云母帶(或箔)、少膠云母帶(或箔)，本身就有很多氣泡，包扎過程中，在云母帶的每匝邊緣處也會形成氣隙；云母帶中的膠粘劑有的有溶劑，有的有低分子化合物，在線圈熱壓成型的過程中要揮發(fā)而產生氣泡，雖然要經真空處理，但因高壓電機繞組絕緣包扎的云母帶層數(shù)多，這些氣泡、氣隙中的空氣和揮發(fā)物很難抽盡。因而高壓電機定子繞組絕緣內部總是有氣隙的。電機運行過程中，由于熱脹冷縮、冷熱循環(huán)使用、機械振動作用及電熱老化等也會產生新的氣隙

3、。 若高壓電機定子線圈對地絕緣中的氣隙如圖7.1所示，我們把線圈對地絕緣作為平板電容來分析氣隙中的場強。圖7.1 線圈對地絕緣中的氣隙示意圖 設線圈單面絕緣厚為，絕緣中氣隙厚度為，氣隙相串聯(lián)的其余絕緣層厚為，則。環(huán)氧云母絕緣介電系數(shù)，若絕緣中的平均場強為，則在交流電壓作用下氣隙中的場強 (7.1)式中為平均場強，單位為kV/mm；為環(huán)氧云母絕緣相對介電常數(shù)，約為4；為氣隙中空氣相對介電常數(shù)，約為1。 將，數(shù)值代入上式，并用替換，則上式可改寫為 (7.2)式中為電機的額定電壓(線電壓有效值)。高壓電機定子線圈單面絕緣厚度按下式計算， (7.3)式中為預防性試驗電壓倍數(shù)，等于1.5；為歷次試驗累計

4、效應系數(shù)，場強低于10kV時約為0.05；為(負)分散度為0.10.15(6kV以下取大值)；為年平均老化速率指數(shù)，為0.020.03(發(fā)電機取小值，電動機取大值)；為運行年限，發(fā)電機為30年，電動機為20年； 為擊穿場強，約25kV/mm；為考慮機械因素所要求的附加厚度，為0.5mm。 對于發(fā)電機，若不考慮厚度對的影響，當，取0.02，將這些值代入上式可得 (7.4)即 將此代入(7.5)得絕緣中氣隙厚度、場強與額定電壓的關系 (7.5) 圖7.2為均勻電場中空氣的場強與電極間距離的關系，從圖可查得不同厚度所隙的擊穿場強，代入(7.5)中，可得不同額定電壓下電機繞組絕緣內部發(fā)生局部放電時所含

5、的氣隙厚度。額定電壓下的放電的氣隙厚度與發(fā)電機額定電壓間的關系如圖7.3所示。圖7.2 均勻電場中空氣的擊穿場強與電極間距離的關系圖7.3 額定電壓下放電的氣隙厚度與額定電壓的關系 從圖7.3所示可知： (1) 額定電壓大于5.5kV的電機，繞組絕緣內部可能發(fā)生局部放電。 (2) 危險的氣隙厚度為0.100.60mm，在較低的額定電壓下就發(fā)生局部放電。 (3) 現(xiàn)在生產的電機中，實際氣隙一般為0.050.50mm，因此，在6kV及以上的電機，運行中就有局部放電。 (4) 當額定電壓增加時，不論是厚氣隙或薄氣隙，均發(fā)生局部放電，但當氣隙厚度為0.05mm以下時，額定電壓為15kV或更高電壓的電機

6、有產生內部放電的危險。 當對額定電壓為的電機的定子繞組的主絕緣施加試驗電壓時，若產生局部放電，則根據(jù) (7.2)， (7.6)對于發(fā)電機,其氣隙內的場強, (7.7) 產生局部放電的起始電壓 (7.8)(7.8)為表示不同額定電壓的電機定子繞組主絕緣的起始放電電壓與氣隙厚度的關系，亦可用曲線表示，如圖7.4所示。從圖中可知： (1) 產生局部放電的最低電壓隨額定電壓的升高而升高，3kV級電機定子線圈對地絕緣產生局部放電的最低電壓只有2.5kV。 (2) 線圈對地絕緣內產生局部放電的最危險的氣隙厚度也隨額定電壓的增高而增大。(3) 除3kV的電機外，其他電壓等級的電機在相電壓下均有局部放電產生。

7、電壓等級越高，實際運行電壓下局部放電越厲害，15.75kV及以上電機定子繞圈主絕緣內的所有大于0.1mm的氣隙均產生局部放電。圖7.4 不同額定電壓的電機起始放電電壓與氣隙厚度關系圖7.5 線圈棱角處結構圖圖7.5為線圈棱角處的結構示意圖。線圈棱角對絕緣的最高場強、平均場強與棱角內外半徑的關系如下式所示： (7.9)隨額定電壓的升高增大，也就增大，大于的倍數(shù)也增大。棱角處有氣隙時，電機定子線圈對地絕緣內部出現(xiàn)局部放電的電壓將比上面計算值低得多。不同額定電壓電機定子線圈對地絕緣平均場強與最大場強見表7.1。表7.1 線圈絕緣的最大場強與平均場強比較額定電壓(kV)相電壓(kV)絕緣厚度(mm)平

8、均場強(kV/mm)最大場強(kV/mm)6.33.643.01.212.832.3410.56.074.01.523.852.5313.88.04.751.674.502.7015.759.15.251.734.802.7018.010.46.251.664.852.90電機定子線圈對地絕緣內的氣隙位置有三種：一是在絕緣層的中間；二是在導線與絕緣間；三是在絕緣與防暈層間。7.2高壓電機定子線圈端部的局部放電 高壓電機定子線圈出槽口處電場分布極不均勻，在槽口處場強最高。如不采取防暈措施，在高電場作用下該處將產生電暈，對于單只線圈在4kV左右電暈就已很明顯，20kV左右就會產生滑閃放電，40kV

9、左右就會產生閃絡。下完線后組成的繞組閃絡電壓將會更低，這不但會在長期運行中產生電腐蝕，而且使產品的耐壓試驗也無法進行，因此，必須進行防暈處理。 在沒有防暈處理時，線圈端可用圖7.6所示電容鏈等效電路來計算槽口處最高場強，用 (7.10)進行計算， (7.10) 未作防暈處理時，端部出槽口處起暈臨界場強約為8.1kV/cm，其對應起暈電壓 (7.11)式中為單邊絕緣厚(mm)。圖7.6 端部未防暈處理時的等效電路出槽口處起暈電壓與絕緣厚度關系如圖7.7所示，從圖可知，6kV級電機的高壓端線圈已處于起暈臨界狀態(tài)。圖7.7 未防暈處理出槽口處起暈電壓UK與絕緣厚度關系端部防暈處理的原理是盡量均勻槽口

10、處的電場分布。防暈結構有下述五種： (1) 涂刷型防暈結構 在線圈槽口外的一段端部絕緣表面上涂刷含碳黑或石墨和碳化硅的高電阻漆。這種結構工藝簡單，但起暈電壓不高，只能用在10.5kV及以下電機定子線圈的端部防暈處理。我國多數(shù)電機制造廠家現(xiàn)使用的是碳化硅高電阻漆。 (2) 刷包型防暈結構 在線圈槽口外的一段端部絕緣表面上先涂刷一層含碳黑或石墨和碳化硅的高電阻防暈漆，再包一層玻璃絲帶，再刷一層高電阻防暈漆?，F(xiàn)在我國多數(shù)廠家用的是碳化硅高電阻防暈漆。這種結構起暈電壓較高，可用于15.75kV及以下電壓等級的電機定子線圈端部防暈處理。以前用的是含碳黑或石墨的線性高電阻暈漆。610.5kV用一級處理，1

11、0.5kV以上的電機則需二級或三級處理，離槽口的越遠所用高電阻防暈漆電阻越高。若用三級防暈處理，第一級所用高阻漆電阻率約為106108W·m，第二級所用高阻漆電阻率約為108109W·m，第三級所用高阻漆電阻率約為1091010W·m。 碳化硅電阻率隨外施場強的變化呈指數(shù)下降。 (7.12)式中為場強為零時碳化硅防暈層電阻率，單位是W·m。 碳化硅防暈層能隨外施場強的變化自動調整電阻率，使電場分布均勻，從而消除了線圈端部表面的電暈。因其電阻率能隨場強自動調節(jié)，因而只需一級處理就相當于線性電阻的多級處理。 (3) 半導體外屏一次成型防暈結構 線圈包完主絕緣

12、后，在槽口外的一段上包半導體高阻帶，再在高阻帶外用23層與主絕緣相同材料覆蓋，然后與主絕緣一起熱壓成型。 這種結構現(xiàn)在用于13.8kV、15.75kV及18kV級電機定子線圈的防暈處理，所用半導體高阻帶為碳化硅高阻帶。若用線性電阻的高阻帶作外層，一次成型后還要進行刷包防暈處理。 (4) 外屏加刷包型防暈結構 用于18kV及20kV級電機防暈處理。(5) 內屏防暈結構 用于24kV以上電壓等級的電機的防暈處理，國內在15.75kV級、18kV級電機上試用過，因工藝復雜，現(xiàn)在已不用。7.3高壓電機槽部放電高壓電機槽部放電是指線圈主絕緣表面和鐵心槽壁之間的放電，其產生的原因是線圈槽部表面不能同鐵心槽

13、壁完全接觸，其間總有間隙，且通風槽口處電場分布不均勻，當局部電場強度達到一定數(shù)值時，氣隙中的氣體發(fā)生局部電離而產生槽部放電。圖7.8 線圈槽部等效電路圖線圈絕緣表面在間隙處的法向場強，當未作防暈處理時，可當作雙層介質平板電容器來計算，其等值電路如圖7.8所示。設線圈上所施電壓為，線圈絕緣表面對地電壓為，則 (kV) (7.13)式中為絕緣單位面積的電容(F/cm2)；為線圈與鐵心間隙單位面積電容(F/cm2)；為相電壓 (kV)。間隙法向電場幅值為 (7.14)式中為線圈與鐵心的間隙(mm)；為單邊絕緣厚度(mm)；為主絕緣相對介電常數(shù)。 通風槽口的電場分布不均勻，其軸向場強幅值為 (kV/c

14、m) (7.15)式中 ；為主絕緣單位面積的表面電容(F)。按 (7.14)和(7.15)計算的數(shù)值列于表7.2中。表7.2 未防暈處理時槽部絕緣表面場強與電暈狀況6.310.513.815.7518.020.03.646.687.989.110.411.550.230.350.4250.4750.5250.5750.030.030.030.030.030.0320°C444444100°C4.54.54.54.54.54.5(kV)20°C1.251.71.751.831.931.98100°C1.361.851.932.012.122.2(kV/mm

15、)20°C56.680.58386.59193.5100°C6287.59195100104(kV/mm)20°C9.31212.312.613.214.6100°C9.713.21414.414.615.1電暈情況臨界臨界臨界臨界臨界臨界 線圈和鐵心間隙mm時，均勻電場下的起始電離場強，但在通風槽口處電場不均勻，其起始場強有效值，幅值為。從表7.2可知，6kV級線圈表面法向場強和軸向場強都處于起暈臨界狀態(tài)，對更高電壓等級的電機繞組，若不進行防暈處理，都會發(fā)生電暈。 槽部電暈的防止，主要采用低電阻防暈層進行處理。這一方面使通風槽口處電場分布均勻，以降低軸

16、向場強；另一方面，低電阻防暈層與槽壁接觸處處于地電位，將該處間隙短路，從而防止了電暈。 但并不是說用低阻防暈層處理后就能完全防止槽部的局部放電，若防暈層與槽壁接觸不良或不穩(wěn)定，在電磁振動的作用下，接觸點若即若離，還會引起比電暈放電能量大數(shù)百倍的間隙火花放電，局部溫度可達攝氏數(shù)百度至上千度，使絕緣表面受到嚴重破壞，在短期內可造成1mm以上深度的麻坑，且腐饋位置隨振動、接觸等條件的變化而經常變動。 為了降低防暈層的損耗，防暈層的電阻率一般控制在1×1031×105W·m范圍內。若接觸點很少，離接觸較遠的防暈層則不是處在地電位，而是處于由電容電流在低電阻防暈層上產生的壓

17、降所決定的電位。假定線圈防暈層在槽內沿軸向有兩點接地，按圖7.9的分布參數(shù)電路計算跨度中的點處的電壓為 (kV) (7.16)式中為防暈層的電阻率 (W·m)。圖7.9 線圈槽部電暈等值電路 從式(7.16)可知越小、接觸點間的距離越小，則越小，故實際生產的電機都盡量想辦法使防暈層與鐵心槽壁接觸點盡量多，要求兩接觸間距離。 由于振動使線圈表面與定子鐵心槽壁失去接觸而產生的槽放電，是高能量的電容性放電，這種放電與端部電暈不同，也與絕緣內部放電不同。這種高能放電產生的加速電子，對定子線圈表面產生熱的、機械力的作用。放電使空氣電離而產生臭氧及氮的氧化物(N2O、NO、N2O4等)，氧化物與

18、氣隙內水分起化學作用，引引線圈表面防暈層、主絕緣、墊條等燒損和腐饋。實際運行發(fā)現(xiàn)，這一狀況引起的電腐蝕，對電機絕緣的損壞非常迅速。防止的辦法是使線圈在槽內固定牢靠、不松動、與槽壁接觸良好。槽部防暈質量的好壞可用線圈槽部表面對地電位的高低來衡量，但結果只能說明靜止狀態(tài)的質量，運行中的狀況現(xiàn)在還未進行測量。7.4線圈局部放電的測量對于單只線圈(或線棒)局部放電的測量，一是檢查線圈絕緣內部是否含有較大氣隙，二是檢查線圈端部防暈處理是否合格。對線圈(或線棒)進行局部放電測量可用直接法，也可用平衡法。直接法又有并聯(lián)測試和串聯(lián)測試兩種。其原理如圖7.10所示。 (a) (b)圖7.10 直接法測電機線圈局

19、部放電原理圖a) 并聯(lián)測試電路；b) 串聯(lián)測試電路 并聯(lián)測試電路試樣可以接地，試樣工頻電流不流經檢測阻抗，若試樣擊穿，對設備和操作者均比較安全，但耦合電容器不能直接接地，必須用絕緣支承架支承起來。絕緣支架和電容器間不能發(fā)生局部放電。 串聯(lián)測試電路，試樣不能接地，試樣工頻電流流經檢測阻抗，一旦試樣擊穿，對操作者和設備均很危險。但耦合電容選用較大值時，可削弱高壓端來的干擾。平衡法可以大大抑制外界干擾的影響，因而適用于現(xiàn)場測試。7.5繞組局部放電的測量 線圈(線棒)下入槽中，按一定規(guī)則連接后組成繞組。這時每只線圈(線棒)的槽部外表面均是接地的，因此，不能用平衡法測局部放電，只能用直接法進行測量，而且

20、只能用并聯(lián)回路進行測量。對于運行中的電機，則不需外施高壓，只需將電機繞組高壓端連到耦合電容器上即可進行測試，其原理如圖7.11所示。對于停止運行的電機，則需外施高壓，被測相接地端必須懸空，其他兩相則應接地，其測試原理如圖7.12所示。 圖7.11 運行中電機繞組局部放電測量原理圖 圖7.12 靜止狀態(tài)電機局部放電測試原理圖對運行中的電機，還可以從中性點上取信號進行測量。但局放儀必須有定相檢測裝置。實踐證明，無論何種故障引起的局部放電信號，均反應在中性點上。而且放電信號具有特定的頻率，故我們可以采用諧振回路將其表征故障頻率的信號取出，其原理如圖7.13所示。中性點信號再經定相檢測裝置分相顯示。若在電機兩端裝等效天線，接收入電信號后送入檢測裝置，還可分辨出是哪一端放電。圖7.13 從中性點取信號測電機繞線局部放原理圖電7.6局部放電部位的區(qū)分用不同的方法如無線電法、超聲波法、光電法等可以測出放電部位的大概位置，但工作量大，有的還比較麻煩。比較簡便的方法是用脈沖電流法檢測各個部位局部放電的圖形和在掃描時基上所處的相位加以區(qū)分