水轮发电机环氧粉云母绝缘老化的特征分析和寿命预测
详细内容
水轮发电机环氧粉云母绝缘老化的特征分析和寿命预测
摘 要 对南津渡水电站发电机定子线棒的绝缘结构和防晕结构进行了介绍，针对南津渡水电站运行14年来3台机组运行状况，探讨了环氧粉云母绝缘的发电机在运行过程中经受电、热及机械老化后的特征，最后提出了预测绝缘寿命的方法和判据。
Feature Analysis and Life Forecast on the Ageing of Epoxy-Mica Insulator for Hydroelectric Generator
JI Tian-hua
(Nanjindu Hydroelectric Power Station, Yongzhou 425006,Hunan Province)
Abstract：In view of practical operation of three generators for Nanjindu station, this paper introduces stator winding bar and insulator structure, and inguires about the ageing feature due to electric, thermal and mechanical action since 14 years, Finally it raises the means and decision for forecasting insulator life.
Keywords：stator winding, ageing feature, Life forcast, D-pattern
湖南省南津渡水电站（3×20MW）机组系引进奥地利VOITH/ELIN公司KAPLAN灯泡贯流式发电机组。1991年11月起，3台机组相继投产发电。自1999年6月1号机发生定子线棒烧损事故至今，3台机组的定子绕组已累计发生6次主绝缘烧损故障，不但造成了巨大的经济损失，而且直接威胁到了水电站的安全运行。鉴于目前电站发电机定子线棒普遍存在电晕、电腐蚀现象，定子线棒整体绝缘下降令人堪忧，很有必要对其绝缘老化的原因、特征进行分析，并对其绝缘寿命进行预测，根据其绝缘老化程度作出局部绝缘处理，局部绝缘更换或全部线棒更换的抉择。
一、机组简介
1.1 概况
3台机组型号均为SV420/40—180，出力20MW，定子电流1221A，出口电压10.5KV，定、转子绕组绝缘等级为F级，定子铁芯由0.5mm厚的高级矽钢片半搭接叠装而成。定子绕组采用条式双层波绕组。其主绝缘为F级环氧粉云母材料。
1.2 定子线棒的绝缘结构
定子线棒的绝缘体系为以粉云母为基材，环氧胶为胶粘剂，玻璃布补强的热固性绝缘体系。线棒的直线部分由2×13根实心扁铜线进行3600罗贝尔换位偏组，整根线棒是在真空条件下，由环氧树脂浸渍并烘烤硬化而成，在线棒的直线部分及端部进行了防晕处理。嵌线棒时，铁芯槽底，层间半导体隔板，槽楔板，线棒与槽壁的气隙间采用半导体硅橡胶填充。端部固定采用氯丁橡胶带（浸环氧胶）分别将上、下层线棒端部绑扎在支持环上。
1.3 定子线棒的防晕结构
定子线棒采用刷包型防晕结构，在主绝缘固化成型后再在主绝缘外包石棉带并刷防晕漆，线棒槽部长1360mm绝缘表面均进行低电阻防晕处理，端部长11mm绝缘表面均进行高电阻防晕处理。由于线棒出槽口处的电均集中，轴向场强很高，为防止该处出现电晕，采用非线性电阻防晕层，利用防晕层电阻的非线性特性改善电场分布达到防晕目的。
二、定子绕组事故情况（表1）
事故发生后对发电机进行了全面的检查，发现1号机组的A相227槽、B相195等4个槽，C相233槽铁芯有轻度或严重的腐蚀。B相202等4个槽、C相154槽下层线棒槽口处有白色粉状物。从故障更换下来的231槽、195槽的线棒可观察到明显的击穿点，已发生严重的主绝缘表面腐蚀现象，线棒槽部区域上游段防晕层完全损坏，中段防晕层相对上游段略轻，下游段槽口有30～40m防晕层尚未受损，且未发生电腐蚀。
2004年12月对2号机进行扩大性大修时，发现发电机上侧160槽至280槽区间内的定子线棒上游端槽部及槽口处放电和腐蚀现象严重，线棒与铁芯槽壁普遍存在0.3～0.1mm的间隙，整个绕组约有1/3的线棒槽楔板有白色粉状物，约有1/5的线棒槽口处槽壁铁芯有黑点，毛刺，啃齿及槽楔松动，硅橡胶老化，线棒松动等现象。经拆卸检查，个别线棒绝缘已起层发空，固化不良，失去整体性，出现剥落形故障，可判定该定子绕组存在槽放电现象，局部放电严重，必须进行局部绝缘更换，共更换下层线棒20根，上层线棒124根。
表1 历年来电站发生的定子绕组事故情况
机组编号
故障时间
事 故 情 况
1号
1999年6月
231槽上层线棒在上游侧槽部槽口处发生线棒主绝缘击穿
2001年7月
195槽上层线棒在上游侧槽部槽口处发生线棒主绝缘击穿
2003年6月
C相74槽下层线棒端头与极间连接线（跳线）接头处起弧烧断
2号
2003年6月
222槽下层定子线棒在上游侧槽部槽口处发生线棒主绝缘击穿故障
2003年6月
203槽定子上层线棒与下层线棒并头套处开焊
3号
2002年2月
B相188槽上层线棒与中心点汇流排连接板焊接处开焊拉弧引起与之相邻的C相187槽上层线棒短路烧断，189槽、187槽靠上游侧并头套及线棒端头股线均被电弧严重烧伤
三、定子绕组绝缘在多因子作用下的老化特征
发电机主绝缘（定子绝缘）在长期的运行过程中，要受电、热、机械和环境等应力因子的联合作用，其机械性能和介电性能逐渐变坏，电气强度降低，即所谓的老化，最终导致绝缘击穿。据统计这类事故大约已占发电机事故总数的三分之一。对发电机绕组多次事故进行现场检查，不难确认发电机的主绝缘已发生明显的老化，且导致了铁芯腐蚀，特别是发电机定子绕组上游侧槽口部已发生严重的热腐蚀和电腐蚀现象。
3.1定子绕组绝缘在电场作用下的老化特征
发电机在运行过程中，处于交变电场中的绕组绝缘在电场的作用下，将产生局部放电及槽内放电现象，导致绝缘的电气机械性能劣化。在发生局部放电的气隙内，局部温度可达到1000℃，使胶粘剂碳化，造成股线松散，股间短路；使主绝缘局部过热而热裂解，严重损伤主绝缘，导致绝缘老化。气隙内气体的局部放电属于流注状高气压辉光放电，大量的高能带电粒子（电子和离子）高速碰撞主绝缘，造成主绝缘的机械强度降低。
气体放电游离时产生臭氧。臭氧是一种强氧化剂，很容易使主绝缘材料发生臭氧裂解；并且臭氧与氮化合生成氮氧化合物，再与气隙中的湿气作用生成硝酸。
203＋2N2=6N0 2N0＋02=2N02 3N02＋H20=2HN03＋N0
在局部放电作用下产生的0和N作用生成N0×，与湿气作用生成硝酸。
0＋N=N0 N0＋0=N02 2N02＋2H20=2HND3＋H2↑
酸对绝缘产生腐蚀作用，导致绝缘老化。在局部放电作用下环氧树脂产生如下的化学老化过程，气隙中的空气在局部放电作用下生成H、O、N与环氧树脂作用生成羟基化合物，羟基化合物与0反应生成羟酸。
—0—C—R—C—0—＋H —R—C—H
在局部放电的作用下生成。
—K—C—H＋0 —R—C—0H。
局部放电发展形成树枝状放电，使绝缘内部产生树枝状放电痕迹，引起主绝缘老化，最终形成放电通道而使绝缘破坏。
定子线棒槽部防晕层与槽壁之间的气隙内发生的放电称为槽放电。由于线棒防晕层的表面电阻率较高，而防晕层表面与槽壁之间有气隙，接触点越少，越容易发生槽放电，槽放电对定子线槽绝缘的损伤可分为接触电腐蚀和放电损伤两个阶段。在第一阶段，线棒的电磁振动使防晕层铁芯之间的接触逐渐受到破坏，接触电阻急剧加大，接触点数量相应减少，使防晕层腐蚀。在第二阶段，当线棒表面电位超过巴申曲线最低值后，发生火花放电。
3.2 定子绕组绝缘在热的作用下的老化特性
定子线棒绝缘在热的长期作用上发生热裂解，在热和氧的作用下发生氧化裂解，在热和水份的作用下发生水解，在热的作用下绝缘材料的分子链继续聚合，使绝缘变脆。由于这些反应的作用，使绝缘内部变疏松，从而使其电气机械性能下降，导致绝缘产生热老化。
热老化寿命与绝对温度的关系为：
Int=B/T＋A
式中t——老化时间（s）；
T——绝对温度（k）
A、B——与运行条件和绝缘材料有关的常数。
3.3 定子绕组绝缘在热机作用下的老化特征
多次冷热循环在绝缘中产生的热机应力是无法消除的，它极大的影响热固性绝缘的状态，降低绝缘寿命。随着冷热循环次数的增多，定子线棒绝缘的击穿电压逐渐降低。
3.4 定子绕组绝缘在力的作用下的老化特征
电机在运行过程中，由于定子线棒绝缘长期经受各种力的作用，使得定子线棒产生振动和弯曲，定子线棒多次地受振动和弯曲，导致绕组端部变形，股线移动，造成绝缘磨损并在绝缘中积累很少的微小损坏，形成机械老化。
振动的作用导致的老化即振动老化将加剧热老化，热老化促使振动老化的加剧；而热老化使得绝缘材料的机械性能下降，振动将降低绝缘寿命。振动较严重和周围环境温度较高条件下运行，其绝缘破坏要比正常绝缘快几倍。
四、寿命预测
4.1 破坏性测试预测绝缘寿命
国外有关文献认为：当击穿电压值下降至初始值的50 LINE-HEIGHT: 150 TEXT-ALIGN: left; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>
参 考 文 献
1 关玉薇等.大型水轮发电机环氧粉云母绝缘的老化诊断和寿命预测.大电机技术，1998（2）
2 雷铭主编. 电力设备诊断手册，北京: 中国电力出版社，2001
3 井池政则等. 环氧树脂线圈绝缘系统的寿命诊断.国外大电机，1990（3）
4 李伟清，王绍禹. 发电机故障检查分析及预防，北京：中国电力出版社，1996
5 纪天华，发电机定子绕组事故分析与处理.湖南电力，2004（4）
6 DL/T492—1997，发电机定子绕组环氧粉云母绝缘老化鉴定导则
作者简介:
纪天华，1968年生，男，湖南永州人，高级工程师，大学本科，毕业于长沙电力学院，从事过检修、安装和管理等工作，先后在《湖南电工》、《大众用电》、《湖南电力》等刊物上发表论文多篇，现为《中国科技发展精典文库》编辑委员会理事会成员，中国管理科学研究院学术委员会特约研究员。